BAB I PENDAHULUAN
Proses Proses kimia kimia terdir pengolahan an fisika fisika awal awal seperti terdirii dari dari tahapan tahapan pengolah pengolahan, an, yaitu: yaitu: pengolah
permurnian/purifikasi bahan, perubahan fasa (cair ke uap, uap ke cair, padat ke cair); pengolahan kimia seperti seperti perubahan senyawa/zat senyawa/zat melalui reaksi kimia; dan pengolahan
seperti pemisahan pemisahan komponen komponen melalui melalui distilas distilasi, i, ekstraksi ekstraksi dan absorbsi. absorbsi. fisika lanjutan seperti Senyawa yang dipisahkan dari pengolahan fisika lanutan dikembalikan ke pengolahan fisika awal sebagai recycle.
Pengolah an Fisika Awal
Pengolah an Kimia
Pengolah an Fisika Lanjutan
Dalam Dalam meranc merancang ang reakto reaktorr diutuhk diutuhkan an pen pengeta getahua huan n dan pen pengal galaman aman mengen mengenai ai termodinamika! kinetika kimia! mekanika fluida! perpindahan panas! perpindahan massa dan ekonomi teknik . diguna naka kan n seba sebaga gaii "eaktor digu
temp tempat at
ter terad adin inya ya
reak reaksi si
seny senyaw awa! a!se seny nyaw awaa
kim kimia
menghasilkan produk!produk baik produk utama maupun produk samping. "ebih dari satu reaksi dapat teradi didalam reaktor tergantung pada produk yang diinginkan. #eaksi kimia berlangsung secara irre$ersible (satu arah) atau re$ersible (dua arah). #eaksi dapat berlangsung secara serie atau secara parallel atau secara serie dan parallel. Dua pertan#aan #ang harus dijawa dalam merancang reaktor$ %.
&er &erubah ubahan an apa apa yang ang di dihar harapka apkan n ter teradi adi ' (ter (term modi odinam namika) ika)
.
era erapa pa cepa cepatt rea reaks ksii ber berla lang ngsu sung ng ' (ki (kine neti tika ka kimi kimia, a, perp perpin inda daha han n mas massa sa))
%ermodinamika
*alam merancang reaktor, informasi yang diberikan oleh termodinamika: a.
&ana &anass yan yang g dibe dibeba bask skan an ata atau u yan yang g dise disera rap p sela selama ma rea reaks ksii ber berla lang ngsu sung ng
b.
esar reaksi maksimum yang teradi (kon$ersi reaksi)
#eaksi kimia dapat disertai oleh pelepasan panas (eksotermis) atau penyerapan panas (endotermis). a+ r# - sS
,
r 0- : endotermis, ! : eksotermis 1
(%)
Panas reaksi pada temperatur %! &H r , adalah panas yang ditransfer dari lingkungan ke
sistem yang bereaksi bila a mole + bereaksi menadi r mole # dan s mol S dengan sistem yang diukur pada 2 dan & sama sebelum dan sesudah bereaksi. 'onstanta kesetimangan! ' dapat dihitung dari energi bebas standar, 3o dari senyawa
yang mengalami reaksi : 3o 4 r 3o# -
s 3oS
!
a 3o+ 4
! #2 ln 5
()
asil maksimum yang diharapkan dari produk reaksi dapat diestimasi ika 5 diketahui. 'inetika 'imia
5inetika kimia menentukan faktor!faktor yang mempengaruhi lau reaksi. 6ntuk reaksi yang cepat, kinetika tidak dibutuhkan dan hanya termodinamika yang diperlukan dalam perhitungan. 'inetika kimia dan desain reaktor merupakan faktor yang penting dalam kegiatan produksi bahan!bahan kimia. 5eberhasilan pabrik kimia ditentukan oleh pemilihan sistem reaksi yang beroperasi secara aman dan efisien. Prinsip %eknik "eaksi 'imia digunakan dalam produksi senyawa misalnya: produksi asam sulfat dari S78 dan (7, produksi antifreeze dari etana, urea dari ammonia dan 97 dan kinetika pembentukan itric oide dan kaitannya dengan pembentukan asap. )pecies 'imia )pecies kimia adalah adalah senyawa atau elemen dengan identitas tertentu yang di tentukan oleh .enis, umlah dan konfigurasi atom!atom species tersebut. *ontoh $
&erubahan konfigurasi menyebabkan perbedaan sifat kimia dan fisika dari senyawa tersebut. &ada contoh diatas teradi perubahan konfigurasi dari 9is < < butene menadi 2rans < < butene sehingga sifat kimia dan fisika dari kedua senyawa tersebut mengalami perubahan.
"eaksi kimia teradi apabila seumlah molekul dari satu species atau lebih kehilangan
identitasnya dan membentuk species baru dengan perubahan umlah atom didalam senyawa dan/atau perubahan struktur atau konfigurasi atom. Bila reaksi kimia terjadi! total massa sen#awa tidak terentuk atau tidak hilang +konser,asi massa- . 'lasifikasi "eaksi
erdasarkan =umlah dan enis fasa reaksi dapat diklasifikasi kedalam reaksi homogen dan reaksi heterogen: a.
#eaksi omogen, ika berlangsung dalam % fasa (padat, cair, gas)
b.
#eaksi eterogen, ika reaksi teradi pada lebih dari satu fasa (padat dan cair, cair dan gas).
%ael ./ 'lasifikasi "eaksi 'imia )istem Homogen
Heterogen
Nonkatalitik #eaksi >asa 3as
#eaksi mikrobial batubara,, Sintesa ammonia,
&embakaran pembakaran absorpsi reaksi,
'atalitik #eaksi fasa cair #eaksi enzimatik dan
bii
mineral,, ammonia, menghasilkan asam
gas!li?uid reduksi
oksidasii
dengan nitrat,
bii
cracking
crude
oil,
besi oksidasi S7 menadi S78
menadi besi dan baa 0ariael #ang mempengaruhi kecepatan reaksi pada sistem homogen : temperatur, tekanan dan komposisi, sedangkan pada sistem heterogen : temperatur, tekanan, komposisi, perpindahan panas dan perpindahan massa. *ontoh$
&ada pembakaran briket batubara, difusi 7 melalui film gas yang mengelilingi partikel dan melalui lapisan abu pada permukaan partikel memainkan peranan penting dalam membatasi lau reaksi. *isamping itu lau perpindahan panas dapat menadi suatu faktor yang berpengaruh, misalnya pada reaksi eksotermik yang berlangsung pada permukaan interior porous catalyst pellet. =ika panas yang dihasilkan reaksi tidak dihilangkan secara cepat menyebabkan lau reaksi yang tidak merata. Semakin cepat lau reaksi, seperti nyala pembakaran (burning flame), heat dan mass transfer menadi pengendali reaksi.
Laju kehilangan +rate of disappearance- misalnya: species + adalah umlah molekul +
yang kehilangan identitas kimianya per satuan $olume melalui pemecahan dan pembentukan ikatan kimia selama reaksi. 5ehilangan identitas species melalui tiga cara, yaitu: 1. Dekomposisi
: @olekul terurai menadi molekul yang lebih kecil, atom, atau bagian atom.
*ontoh $
2. 'ominasi : @olekul besar terbentuk dari molekul yang lebih kecil *ontoh $ &embentukan 9umene dari enzene dan &ropylen. 3. Isomerisasi : &embentukan senyawa dengan rumus molekul sama tetapi rumus bangun yang berbeda (teradi perubahan konfigurasi
senyawa). *ontoh$
Suatu molekul atau seumlah molekul dari species kimia telah bereaksi ika molekul kehilangan identitas kimianya. "au reaksi dapat dinyatakan sebagai lau reaksi kehilangan (disapperance) reaktan atau lau reaksi pembentukan (formation) produk. @isalnya: pada reaksi pembentukan **2 (dichlorodiphenyltrichloroethane) dari chlorobenzene dan chloral.
9AB9C chlorobenzene
-
99C897 chloral
(9AD9C)999C8 **2
-
7
&ada sistem homogen , ika chloral sebagai +, maka !r + adalah umlah mol chloral yang bereaksi/hilang per satuan waktu per satuan $olume (mol/dm8.s) dan ika **2 sebagai 9, maka r 9 adalah umlah mol **2 yang terbentuk per satuan waktu per satuan $olume. Laju reaksi untuk sistem heterogen! r1 A !rE + 4 =umlah mole + bereaksi per satuan waktu per satuan massa katalis ( mol/s. g catalyst) Laju reaksi merupakan fungsi konsentrasi species, temperatur, tekanan atau tipe
katalis tetapi laju reaksi tidak tergantung pada jenis sistem #ang digunakan +aliran atch atau kontin#u- . "au reaksi, !r + tergantung pada temperatur dan konsentrasi dan persamaan lau reaksi
merupakan persamaan alabar. + &roduk Definisi Laju "eaksi$
%) erdasarkan $olume fluida yang bereaksi:
r i =
% dN i V dt
=
mole i terbentuk (volume fluida )( waktu )
) erdasarkan massa solid dalam sistem fluida:
r i = F
% dN i
W dt
=
mole i terbentuk (massa solid )( waktu )
8) erdasarkan permukaan interfasa sistem dua fluida atau berdasarkan satuan permukaan solid dalam sistem gas < solid:
r i
G
=
%
dN i
S
dt
=
mole i ( permuk
D) erdasarkan $olume solid dalam sistem gas!solid:
r i F F F =
% dN i V s
dt
=
mole i terbentuk (volume solid )( waktu )
B) erdasarkan $olume reaktor:
r i F F F F =
% dN i V r
dt
=
mole i terbentuk (volume reaktor )( waktu )
Holume fluida identik dengan $olume reaktor untuk sistem homogen (H 4 Hr ). &ada sistem heterogen, semua definisi lau reaksi diatas dapat digunakan.
"au reaksi merupakan fungsi dari keadaan sistem. ubungan lau reaksi: H r i 4 I r iE 4 S r iEE 4 Hs r iEEE 4 Hr r iEEEE *imana: H
4
$olume fluida
I
4
masa solid
S
4
permukaan solid
Hs
4
$olume solid
Hr
4
$olume reaktor
Persamaan laju reaksi! 2r A dapat din#atakan seagai $ a. >ungsi linear konsentrasi !r + 4 k 9+, atau b. >ungsi nonlinear konsentrasi
!r +
− r A =
k 9+
4 k %C A
% + k C A
9ontoh: @esin roket membakar campuran bahan bakar secara stoikhiometri (li?uid dan li?uid 7). 5amar bakar berbentuk silinder dengan panang JB cm dan diameter AK cm. &embakaran menghasilkan %KL kg/s gas buang. =ika pembakaran sempurna tentukan lau reaksi dan 7. &enyelesaian: Holume reaktor 4 $olume reaksi (sistem homogen) H 4 M/D * " 4 8.%D/D (K.A) (K.JB) 4 K,%% m8.
-
N 7
7
7 yang dihasilkan 4 %KL kg/s (% kmol/%L kg) 4 A kmol/s. yang dikonsumsi 4 %/% (A kmol/s) 4 A kmol/s 7 yang dikonsumsi 4 N (A kmol/s) 4 8 kmol/s
− r H =
% dN H V
dt
! r 4 (%/K,%% m8)(A kmol/s) 4 ,LO %KD kmol/m8.s
− r O =
% dN O V
dt
! r 7 4 (%/K,%% m8)(8 kmol/s) 4 %,D%B %KD kmol/m8.s
Persamaan Neraca 3ol
"au aliran (mol/waktu) memasuki $olume sistem dan teradi reaksi kimia didalam $olume sistem. Neraca mole species j dalam ,olume sistem "au aliran kedalam
sist
em
(mol/waktu) - "au pembentukan oleh reaksi kimia didalam sistem (mol/waktu) ! "au aliran keluar sistem (mol/waktu) 4 "au +kumulasi didalam sistem. Secara matematis dinyatakan dengan persamaan: > K 3 ! > 4 dN j/dt dimana : > K "au aliran kedalam sistem (mol/waktu) 4 > "au aliran keluar sistem (mol/waktu) 4 3 "au pembentukan oleh reaksi kimia didalam sistem 4 (mol/waktu) 4 =umlah mol species didalam sistem pada waktu t. =ika ,ariale sistem (temperatur, akti$itas katalis, konsentrasi species kimia) sama berdasarkan ruang seluruh $olume sistem, lau pembentukan species , 3 : 3 4 r H (mol/waktu) 4 (mol/waktu.$olume). $olume r 4 lau pembentukan species H 4 $olume reaksi
=ika lau pembentukan species ber$ariasi dengan posisi dalam $olume sistem, 4 r % ∆3 % ∆H%, ∆3 ∆H, 4 r dst.
2otal lau pembentukan untuk @ sub$olume : G
= ∑i =% ∆G ji = ∑i =% r ji ∆V i M
j
M
"imit @
P
dan
∆H
K
V
G
j
= ∫ r j dV
r merupakan fungsi tidak langsung posisi, karena konsentrasi dan temperatur mempunyai nilai yang berbeda pada lokasi reaktor yang berbeda. &ersamaan umum neraca mol dinyatakan sebagai: > K
!
>
-
3
4
d /dt
V
> K
!
>
-
∫ r dV j
4
d /dt
"eaktor Batch &ada reactor batch tidak terdapat aliran masuk reaktan dan aliran keluar produk
sehingga
> K
4
>
4
K. &ersamaan neraca mol menadi:
V
d /dt 4
∫ r dV j
=ika campuran reaksi diaduk secara sempurna, r tidak ber$ariasi didalam $olume reaktor. V
d /dt 4
r j
∫
dV = r j V
#eaktor atch untuk reaksi fasa gas.
9onstant < Holume (Hariable &ressure) #eactor
9onstant < &ressure (Hariable Holume) #eactor
*ontoh$ &erbedaan "au #eaksi pada #eaktor atch Holume 5onstan dan 2ekanan 5onstan. (98)7 9D 97 *imetil Qter + @ 9
eraca @ol pada #eaktor atch: d+/dt 4 %/H (d+/dt) 4
r+ H r+
*onstant 2 0olume Batch "eactor
%/H (d+/dt) 4
d(+/H)/dt
4
d9+/dt
4
r+
*onstant 2 Pressure Batch "eactor
%/H (d+/dt) 4 %/H d(9+H)/dt 4 d9+/dt - 9+/H (dH/dt) 4 d9+/dt - 9+ (d Cn H/dt) 4
r +
r +
*ontinuous 4low "eactor .- *ontinuous )tirred %ank "eactor +*%)"#eaktor 9S2# disebut uga Backmi5 reactor . #eaktor ini dioperasikan pada
kondisi aeg (steady state) dan dilengkapi dengan alat pengaduk, sehingga tidak ada $ariasi konsentrasi, temperatur, atau lau reaksi didalam reaktor. 5onsentrasi dan temperatur didalam reaktor sama dengan yang keluar dari reaktor.
9ontinuous Stirred 2ank #eaktor eraca mol: > K ! &ada steady state:
>
-
∫ r dV j
4
d /dt
d /dt
4 K r H ∫ r j dV 4 > K ! > r H 4 Holume reaktor dihitung dengan persamaan: H 4 (> K ! > ) / ! r > 4 9 . $ dimana : 9 > $
4 4 4
K
5onsentrasi (mol/$olume) @olar flowrate (mol/waktu) Holumetric >lowrate ($olume/waktu)
(- %uular "eactor #eaktor enis ini berbentuk pipa silinder dan dioperasikan pada kondisi steady
state. +liran dalam reaktor sangat turbulent sehingga flow field dimodelkan sebagai plug flow yaitu ,ariasi konsentrasi pada pada arah radial diaaikan . #eaktor ini dikenal sebagai &lug < >low #eactor (&>#). #eaktan
berkurang sepanang tubular reactor sehingga konsentrasi er,ariasi secara kontin#u dalam arah a5ial , sehingga lau reaksi ber$ariasi pada arah aial
kecuali untuk reaksi order nol. eraca mol sistem secara keseluruhan dinyatakan dengan: V
> K
!
>
-
∫ r dV j
4
d /dt
6ntuk menurunkan persamaan lau reaksi, reaktor tubular dibagi menadi beberapa bagian kecil (irisan) dengan panang Ry.
&ada sub$olume ∆H, r diasumsi sama sehingga : ∆V
∫ r dV j
&ada steady < state: d/dt 4
K
4
r ∆H
&ersamaan neraca mol untuk irisian ∆H: > (y) ! > (y-∆y) r ∆H 4 4 + ∆y ∆H > (y) ! > (y-∆y)T / ∆y 4 ! + r
"imit ! > (y-∆y) ! > (y) T / ∆y ∆y K d> /dy dH d> /dH
4 4 4
4
+ r + dy r
6ntuk #eaktor dengan luas penampang yang berbeda
∆v
3
∫ r
4
j
dv = r j ∆v
> ($) < > ($ - ∆$) - r ∆$ F j (v + ∆v) − F j (v )
∆v
4
= r j
F j (v + ∆v) − F j (v) = r j ∆V ∆V →K Limit
dF j dV
= r j
"eaktor Industri +.- "eaktor Batch 5egunaan untuk: (a) operasi skala kecil (b) penguian proses baru
K
K
! + r
(c) proses yang sulit dilakukan secara kontinyu 5euntungan : kon$ersi tinggi 5erugian : (a) biaya labor/pekera tinggi per satuan produksi (b) produksi skala besar sulit dilakukan
+(- "eaktor )emi atch 5egunaan : (a) Sama dengan reaktor batch (b) #eaksi dua fasa (gas/li?uid) dimana gas digelembungkan kedalam li?uid
5euntungan : (a) &engendalian temperatur dilakukan dengan mudah dengan menggunakan heater atau cooler (b) 5emampuan untuk meminimalkan reaksi samping yang tidak dikehendaki dengan menaga konsentrasi rendah dari salah satu reaktan 5erugian : Sama dengan reaktor batch *ontinuous )tirred %ank "eactor +*)%"9S2# dapat digunakan secara tunggal atau seri yang dilengkapi dengan agitasi yang
tinggi. 6mumnya reaktor ini digunakan untuk fasa li?uid homogen. 5euntungan : &engendalian suhu mudah dilakukan 5erugian :
5on$ersi reaktan per $olume reaktor kecil sehingga dibutuhkan reaktor yang berukuran sangat besar untuk memperoleh kon$ersi yang tinggi.
%uular "eactor +P4"5egunaan : >asa gas homogen 5euntungan : (a) &emeliharaan mudah (b) 5on$ersi sangat tinggi 5erugian : (a) &engendalian suhu dalam reaktor sulit dilakukan dan hot spot (pemanasan lokal)
dapat teradi ika reaksi eksotermik (mengeluarkan panas)
4i5ed Bed +Packed 2 Bed- "eactor Solid catalyst particle ditempatkan didalam tube. =enis reaktor ini digunakan untuk sistem
reaksi heterogen untuk reaksi katalisa gas. 5euntungan : 5on$ersi sangat tinggi per berat katalis dalam reaktor katalitik.
5erugian : (a) &engendalian temperatur sulit dilakukan (b) 5atalis sukar diganti (c) 2eradi channealing aliran gas sehingga terdapat bagian bed yang tidak efektif. 4luidi6ed 2 Bed "eactor anyak digunakan dalam produksi gasoline dalam unit catalytic cracking. 5euntungan : (a) *istribusi temperatur merata dalam reaktor bed, sehingga hot spot dapat dihindari (b) &engendalian temperatur baik (c) Seumlah besar umpan dan padatan dapat diolah didalam reaktor
5erugian : iaya peralatan reaktor dan unit regenerasi katalis mahal.
*atal#tic *racking Unit Selama reaksi, teradi penutupan katalis oleh coke sehingga regenerasi katalis perlu di
lakukan menggunakan regeneration process dua tingkat. 9ontoh : #eaksi 7rder Satu : + erlangsung dalam reaktor tubular dengan $olumetric flow rate constant. 2urunkan persamaan untuk menentukan $olume reaktor. erapa $olume yang dibutuhkan untuk mereduksi konsentrasi yang keluar menadi %K U konsentrasi masuk ika $olumetric flow rate 4 %K dm 8/min ("iter/min) dan "au reaksi spesifik, k 4 K.8/min. &enyelesaian : dF A = r A dV − r A = kC A dF A d (C A vo ) dV
=
dV
(a) (b)
= vo
dC A dV
= r A
(c)
*engan mensubstitusi &ersamaan (b) kedalam persamaan (c): CA v vo dC A − = dV (d) k CA K C A K
∫
V = V =
vo k
∫
ln
C A K
(e)
C A
%K dm 8 / min K, 8 / min
ln
C A K K,% C A K
=
%K dm 8 K,8
ln %K = %KK dm 8
Prolem $ %. =elaskan asumsi yang digunakan dalam penurunan persamaan desain untuk (a) #eaktor atch (b) 9S2# (c) #eaktor &lug < >low
. #eaksi order satu + berlangsung dalam reaktor 9S2# dengan $olumetric flow rate konstan. 2entukan $olume reaktor untuk mereduksi konsentrasi yang keluar %K U konsentrasi masuk. Holumetric flow rate 4 %K dm8/min dan k 4 K.8/menit. 8. 2ulis &ersamaan desain #eaktor ackmi tanpa pengadukan sempurna sehingga lau reaksi ber$ariasi dalam $olume reactor. D. =elaskan uraian proses pembuatan asam sulfat dan lengkapi dengan flow sheet. =enis reaktor (con$erter) apa yang digunakan dalam proses tersebut. B. erapa kondisi operasi (temperatur dan tekanan) dari catalytic cracking reactor yang digunakan dalam pengilangan minyak bumi (petroleum refinery).
A. =elaskan enis reaktor yang digunakan untuk catalytic reforming hidrokarbon. J. =elaskan uraian proses pembuatan ammonia dan urea dengan flow sheet. =enis reaktor (con$erter) apa yang digunakan dalam proses tersebut L. Sistem pembangkit kapasitas %KKK @I listerik menggunakan fluidized bed combustor. Sistem ini diberikan umpan DK ton batubara/am (OK U 9, %K U ). BK U umpan dibakar didalam suatu battery fluidized bed. attery memiliki %K fluidized bed combustor dengan ukuran masing!masing combustor: panang 4 K m dan lebar 4 % m. 2entukan lau reaksi didalam bed berdasarkan oksigen yang digunakan.
