BAB I

PENDAHULUAN

I.1 LATAR BELAKANG

Reaktor tangki berpengaduk merupakan reaktor yang paling sering

dijumpai dalam industri kimia. Pada industri berskala besar, reaktor alir

tangki berpengaduk lebih sering diaplikasikan karena kemampuan

operasinya yang dapat diatur kapasitasnya. Unjuk kerja reaktor alir

berpengaduk perlu dipelajari untuk mengetahui karakteristik aliran fluida,

reaksi yang terjadi secara optimasi pengoperasian reaktor.

Pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk meliputi tiga tahap

yaitu pengisian reaktor tinggi overflow, kondisi kontinyu dan kontinyu

steady state. Evaluasi variabel-variabel operasi sangat mudah dilakukan

pada kondisi steady state.

Pemodelan matematik diperlukan untuk mempermudah analisa

permasalahan yang timbul dalam pengoperasian reaktor alir tangki

berpengaduk. Model matematika yang diusulkan diuji keakuratannya

dengan membandingkan dengan data-data percobaan. Model matematika

yang diusulkan diselesaikan dengan cara analisis jika persamaan itu mudah

diselesaikan. Namun untuk reaksi yang kompleks akan diperoleh model

matematika yang kompleks juga. Penyelesaian numerik sangat dianjurkan

untuk memperoleh nilai k, tetapan transfer massa, dan orde reaksi yang

merupakan adjustable parameter.

I.2 TUJUAN PERCOBAAN

1. Menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan

NaOH

2. Membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis

reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu

Reaktor

3. Mengetahui pengaruh … terhadap konstanta reaksi penyabunan atil

asetat dengan NaOH

I.3 MANFAAT PERCOBAAN

1. Mahasiswa dapat menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k)

etil asetat dengan NaOH

2. Mahasiswa dapat membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan

model matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu

3. Mahasiswa mampu mengetahui pengaruh … terhadap konstanta reaksi

penyabunan atil asetat dengan NaOH

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. REAKTOR BATCH

Neraca bahan pada reaktor secara simultan

output

input reaktan

bereaksi

akumulasi

GambarII. 1 Bagan Neraca Massa Suatu Sistem

input = 0

output = 0

Reaktan yang bereaksi = (-rA)

Input = output + reaktan yang bereaksi + akumulasi

0 = 0 + v (-rA) + d (NA)

dt …(1)

0 = Vi (-rA) + d [NAo (1−XA )]

dt …(2)

0 = Vi (-rA) – NAo dXA

dt …(3)

dt = NAo

Vi(−r A)dXA …(4)

t = NAo ∫0

XA dXAVi(−r A)

…(5)

Pada volume konstan

CA = CAo(1-XA)

dCA = -CAo.dXA …(6)

Pers. (6) masuk ke pers. (5) diperoleh

t = CAo ∫0

XA dNA−rA

= -∫CAo

CA d CA−rA

…(7)

II.2. REAKTOR IDEAL ALIRAN KONTINYU / REAKTOR ALIR

TANGKI BERPENGADUK (CSTR)

Tahapan yang terjadi pada reactor CSTR ini terbagi dalam 3 tahap proses,

yaitu :

a. Tahap Pertama

Tahap pertama dimulai saat t = 0 sampai terjadi overflow

Dari hokum kekekalan massa

Akumulasi = input-output

ρ dvdt = ρ Fo – 0 …(8)

dV = Fo.dt , pada t = 0 → V = 0

karena density laju alir dianggap konstan maka volumenya hanya

merupakan fungsi dari waktu.

V = Fo. T …(9)

Sedangkan dari neraca komponen :

Akumulasi = input – output – laju konsumsi karena reaksi

ddt

(V . C) = Fo. Co – 0 – V (-rA) …(10)

Dalam hal ini :

V = volume bahan dalam reactor (l)

C = kondentrasi molar reaktan dalam reaktor (mol/l)

Fo = laju alir reaktan masuk (l/ menit)

Co = konsentrasi molar reaktan dalam feed (mol/l)

t = waktu reaksi (menit)

-rA = kecepatan reaksi (mol/menit)

Reaksi yang terjadi =

A + B → C + D

- rA = k CA CB , karena CA = CB maka

- rA = k CA2 = k C2 …(11)

Pers. (11) → pers.(10)

ddt

(V . C) = Fo. Co – V.k.C2

V dCdt + C

dVdt = Fo. Co – V.k.C2 …(12)

Pers. (9) → pers. (12)

Fo.t.dCdt + C.Fo = Fo.Co – F.t.k.C2 …(13)

dCdt =

Cot -

Ct - k.C2 …(14)

Dengan menggunakan boundary condition pada t=0 , C = Co dan

substitusi U = exp [k∫C dt ¿¿ maka pers.14 menjadi :

t2 d2U

dt 2 + t dUdt - k.U. Co. t = 0 …(15)

Pers. (15) diubah menjadi fungsi Bessel dengan substitusi z = t0,5 ,

menjadi :

z2. d2V

d t2 + z dVdt - 4.k.Co.z2.u = 0 …(16)

Pers. (16) merupakan modifikasi pers.Bessel yang mempunyai bentuk

umum sebagai berikut:

x2. d2 y

d t2 + x (a + 2bxr) dydx + [c + dx2s – b(1-a-r) x.r + b2.x2.r].y = 0

Dari pers.(5) didapatkan :

a = 1

r = 0

p = 1s ❑√ (1−a)2

2−c = 0

b = 0 s = 0 p = 0

c = 0 d = -4.k.Co √ ds

= imajiner

Sehingga penyeledaian pers. (16) adalah :

U = C1. zp. (√4. k . Co. z) + Cz. zp.( √4. k . Co. z) …(18)

Pada t = 0, z = 0 → zp = ~

Sehingga Cz = 0

U = C1. Zp (√4.k . Co. z)

Karena p = 0 dan √d /s = imaginer

Maka = U = C1. I0 (√4.k .Co. z)

dUdt =

ddz C1. I0 (√4.k . Co. z) …(19)

Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan

dUdt = C1. (√4.k . Co. z) I0 (√4.k . Co. z) …(20)

Dari substitusi semula, diperoleh :

dUdt = 2.k. Cz. C1. I0 (√4. k . Co. z) …(21)

Maka pers. (14) dan (15) diperoleh :

C1. (√4.k .Co. z) I0 (√4.k . Co. z) =k. C. C1. I0 (√4.k . Co. z)

C = (√4. k . Co. z )I 0(√4. k .Co . z)

k .C 2 .C . I 0(√4.k .Co . z)

C = C0.T 1(2√k .Co .T )

k .t .T 0(2√k .Co . T ) …(22)

b. Tahap Kedua

Pada tahap ini proses berjalan kontinyu, namun belum tercapai kondisi

steady state. Dapat dinyatakan dengan :

C = f(t) dan V= konstan dVdt = 0

Dari neraca massa komponen diperoleh :

ddt

(V . C) = F.Co – F.C – k.V.C2 …(23)

VdCdt - C

dVdt = F.Co – F.C - k.V.C2 …(24)

Apabila T = t – Ť waktu, menit

Ť = VF konstanta waktu

Pers. (24) menjadi

dCdt =

CoŤ -

CŤ k. C 2 …(25)

Pada keadaan steady state C = Co

Penyelesaian partikular pers. (25) adalah C – Cs, dimana Cs adalah

konsentrasi pada keadaan steady.

Substitusikan C = Cs + 1/s

Pers. (25) berubah menjadi pers.differential orde 1 yang mana dapat

diselesaikan dengan metode factor integrasi

C – Co = 1

B . sxp ( AT )− KA

…(26)

C1 adalah konsentrasi awal tiap tahap kedua yaitu pada saat t = Ť yang

diperoleh dengan pengukuran konsentrasi contoh.

c. Tahap Ketiga

Pada tahap ini proses berjalan dalam keadaan steady state dan akumulasi

= 0

Dari neraca komponen , diperoleh :

F – Co = F.C + Vr …(27)

F – Co = F.C + V.k.Cs2 …(28)

Co = Cs + VF k. Cs 2 …(29)

k. Ť. Cs 2 + Cs – Co = 0 …(30)

Apabila k diketahui maka Cs dapat diprediksikan. Sebaliknya apanila Cs

diukur maka nilai k dapat dihitung. Pers. (30) merupakan persamaan

aljabar biasa dan dapat diselesaikan dengan mudah.

II. 3. TINJAUAN THERMODINAMIKA

Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

Untuk menetukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis / endotermis

maka perlu membuktikan dengan menggunakan panas permbentukan

standart (∆Hf) pada 1 atm dan 298 K dari reaktan dan produk

∆H298 = ∆Hreaktan - ∆Hproduk

Diketahui data sebagai berikut :

∆H CH3COOC2H5 = -444.500 J/mol

∆H NaOH = -425.609 J/mol

∆H CH3COONa = -726.100 J/mol

∆H C2H5OH = -235 J/mol

Sehingga

∆H reaksi = (∆H CH3COONa + ∆H C2H5OH) – (∆H CH3COOC2H5 +

∆H NaOH )

= -726.100 + -235.609 – (444.500 + 425.609)

= -91091 J/mol

Karena ∆H bernilai negative maka reaksi yang berlangsung adalah reaksi

eksotermis yang menghasilkan panas.

II. 4. TINJAUAN KINETIKA

Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan searah atau bolak balik

dapat diketahui dari nilai konstanta keseimbangan reaksi. Pada suhu kamar

diperoleh data :

∆G CH3COOC2H5 = -328 000 J/mol

∆G NaOH = -379 494 J/mol

∆G CH3COONa = -631 200 J/mol

∆G C2H5OH = -168 490 J/mol

Sehingga,

∆H reaksi = ∆G produk - ∆G reaktan

= [∆G CH3COONa + ∆G C2H5OH] – [∆G

CH3COOC2H5 + ∆G NaOH]

= [-631 200 - 168 490] J/mol – [-328 000 - -379

494]

= -92 196 J/mol

ddT

(∆ G /RT ) = ∆ HR T 2

∆G = RT ln K

K pada standar 298° K = e(−∆G /RT)

Dari data di atas diperoleh nilai konstanta keseimbangan pada temperature

298 K adalah 4,179 x 1067. Pada temperature operasi, harga K dihitung

dengan persamaan:

ln(Kk '

) = - ∆ H °

R (1T

− 1T 1

)

ln( 4,19 . 10−67

k ') = -

910911,987 (

1298

− 1343

)

= 20, 1827

k’ = 7, 715 . 1058

Karena harga konstanta keseimbangan besar, maka reaksi berlangsung

searah (irreversible).

II. 5. SIFAT FISIS DAN KIMIA REAGEN

1) NaOH

Sifat fisis :

- Berat Molekul = 40 gr/mol

- Titik didih = 134 °C

- Titik lebur = 318, 4 °C

- Berat jenis = 2, 130 gr/mol

- Kelarutan dalam 100 bagian air dingin 10 °C = 42

- Kelarutan dalam 100 bagian air panas 100°C = 32

Sifat kimia :

- Dengan Pb(NO3)2 membentuk endapan Pb(OH)2 yang larut dalam

reagen excess, merupakan basa kuat, mudah larut dalam air.

2) Etil Asetat

Sifat fisis : Berat jenis = 1, 356 gr/mol

Titik didih = 85 °C

Berat molekul = 88 gr/mol

Titik lebur = -111 °C

Sifat kimia:

Bereaksi dengan Hg+ membentuk endapan Hg2Cl2 putih yang tidak

larut dalam air panas dan asam encer tetapi larut dalam ammonia encer

dan KCN tiosulfat, beraksi dengan Pb2+ membentuk PbCl2 putih,

mudah menguap apabila dipanaskan.

II.7. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI HARGA k

Persamaan Arhenius

1. Frekuensi tumbukan

Pengadukan akan memperbesar tumbukan partikel sehingga akan

menaikan energi aktifasi,jika energi aktivasi naik, maka kecepatan

reaksi juga naik

2. Energi aktivasi

Energi aktivasi merupakan energi minimum yang diperlukan bagi

reaksi untuk berlangsung. Semakin rendah energi aktivasi, maka reaksi

akan berjaan semakin cepat.

3. Suhu

Semakin tinggi suhu, maka reaksi akan berjalan semakin cepat.

4. Katalis

Katalis dapat mempercepat reaksi karena kemammpuannya

mengadakan reaksi dengan paling sedikit satu molekul reaktan untuk

menghasilkan senyawa yang lebih aktif. Interaksi ini akan

meningkatkan laju reaksi.

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

III.1. BAHAN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN

III.1.1 Bahan Yang Digunakan

1. NaOH 0,1 N; 0,2N

2. Etil asetat 0,1 N

3. HCl 0,2 N

4. Indikator MO 3 tetes

5. Aquadest

III.1.2 Alat Yang Dipakai

1. Pipet

2. Thermometer

3. Magnetic stirer

4. Reaktor Batch

5. Gelas Ukur

6. Buret

7. Statif dan Klem

8. Erlenmeyer

9. Rangkaian alat reaktor alira kontinyu

III.2. GAMBAR RANGKAIAN ALAT PERCOBAAN

a. Proses Batch

Gambar III.1 Gambar Alat Utama Proses Batch

Keterangan :

1. Reaktor Batch

2. Stirer

3. Statif

b. Proses kontinyu

Gambar III.2. Gambar Alat Utama Proses Kontinyu

Keterangan :

1. Reaktor Kontinyu

2. Stirrer

3. Statif

4. Tanki Reaktor

III.3. VARIABEL PERCOBAAN (tanyakan pada assisten)

Variabel Berubah

Variabel Tetap

III.4. RESPON UJI HASIL

Konsentrasi NaOH sisa yang dapat diamati dengan konsentrasi titran

HCl sampai TAT

III.5. PROSEDUR PERCOBAAN

Percobaan Batch

1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat … N, HCl … N, dan

NaOH

2. Masukkan etil asetat … N dan NaOH … N sampai ketinggian 8 cm

ke dalam reaktor batch

3. Ambil sampel … ml tiap … menit, kemudian tambahkan indikator

MO 3 tetes ke dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna

merah orange. Titrasi dihentikan sampai volume titran yang

digunakan 3 kali konstan.

4. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH

sisa)

5. Lakukan langkah 1 sampai 4 dengan variable yang berbeda.

Percobaan Kontinyu

1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat … N, HCl … N, dan

NaOH

2. Masukkan etil asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan masing-

masing.

3. Pompa masing-masing reaktan ke dalam CSTR yang kosong dan

menjaga konstan laju alirnya serta mereaksikannya.

4. Ambil sampel … ml tiap … menit, kemudian tambahkan indikator

MO 3 tetes ke dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna

merah orange. Titrasi dihentikan sampai volume titran yang

digunakan 3 kali konstan.

5. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH

sisa)

6. Lakukan langkah 1 sampai 5 dengan variable yang berbeda.

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

Laporkan hasil percobaan Anda (bisa dalam bentuk grafik atau tabel) dan bahas

dengan bantuan pustaka untuk menajamkan pembahasan Anda

BAB V

PENUTUP

A. Kesimpulan

Simpulkan percobaan Anda dengan menjawab semua hal yang tertulis dalam

tujuan percobaan ini.

B. Saran

Jika Anda menemukan kekurangan atau kelemahan dalam percobaan ini,

sampaikan saran Anda agar percobaan ini dapat dilaksanakan dengan lebih

baik di kemudian hari.

DAFTAR PUSTAKA

Abu Khalaf, A.M., “Chemical Engineering Education”, 28 (1), 48. 1994

Charles, E. R, Harold, SM and Thomas K.S., “Applied Mathematics in Chemical

Engineering” 2nd end.,Mc. Graw Hill Book Ltd. 1987, New York

Hill, G.C., “An Introduction to Chemical Engineering Kinetika and Reactor

Design”. 1nd ed, John Willey, New York, N.Y, 1977

Levenspiel. O., “Chemical Reaction Engineering” 2nd ed, Mc. Graw Hill Book

Kogakusha Ltd, Tokyo, 1970

Daftar pustaka bisa bertambah , disesuaikan dengan kebutuhan, terutama pustaka-

pustaka yang mendukung ketika Anda membahas hasil percobaan.