Mia’s Weblog

Overview Reaksi Kimia

Perancangan reactor kimia merupakan proses design yang membutuhkan berbagai informasi dari berbagai aspek seperti termodinamika, kinetika kimia, mekanika fluida, transfer panas dan massa serta ekonomi. Salah satu parameter dalam termodinamika yang paling sering digunakan dalam perancangan reactor adalah konsep kesetimbangan yang melibatkan energi bebas Gibbs dan hubungannya dengan panas reaksi kimia terutama untuk reaksi reversibel. Hal ini bisa dilihat dari persamaan berikut ini :

Pengelompokan reaksi kimia selain dari segi reversible maupun irreversible juga dibedakan dari panas reaksi yang timbul yaitu reaksi eksotermis (panas reaksi bernilai negative) dan endotermis (panas reaksi bernilai positif). Pada setiap jenis reaksi tersebut perlakuan yang diterapkan memiliki efek yang berbeda terutama dalam hal pemakaian suhu reaksi . Hal ini bisa dilihat dari persamaan 4 bahwa kesetimbangan merupakan fungsi dari temperature.

Temperatur juga memiliki pengaruh pada kecepatan reaksi kimia seperti pada persamaan berikut ini.

Dari persamaan 7 bisa dilihat bahwa semakin tinggi suhu reaksi, kecepatan reaksi akan semakin cepat. Namun pada reaksi eksotermis reversible, kenaikan suhu justru akan menggeser kesetimbangan ke arah kiri (bagian endotermis) sehingga perlu dicari suhu optimum dalam operasi reactor tersebut. Dengan demikian penentuan suhu reaksi tidak semata-mata berdasarkan kecepatan reaksi yang diinginkan namun harus memperhitungkan kondisi kesetimbangan yang terjadi.

Pengelompokan reaksi kimia juga bisa didasarkan atas fase komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi. Reaksi homogen adalah reaksi yang terjadi pada 1 fase saja di mana reaktan maupun produk berada dalam fase yang sama, sedangkan reaksi heterogen terjadi dengan melibatkan 2 fase atau lebih . Pada system homogen, temperature, tekanan dan komposisi berupakan variable yang sangat berpengaruh, namun pada system heterogen variable-variabel yang berpengaruh menjadi sangat kompleks. Kecepatan transfer massa bisa menjadi sangat diperhitungkan dibandingkan dengan reaksi kimia, begitu pula halnya dengan transfer panas dalam system.

Perancangan Reaktor Kimia

Reaktor kimia merupakan tempat berlangsungnya reaksi kimia. Berikut ini tipe-tipe reactor yang umumnya digunakan dalam industry kimia beserta mol balancenya:

Persamaan perancangan di atas berlaku untuk reactor yang beroperasi secara isothermal dan ideal , sedangkan untuk reactor nonisotermal perlu adanya profil suhu dalam menentukan konversi maupun design reactor. Pada pembahasan kali ini akan difokuskan pada CSTR non isothermal yang beroperasi secara adiabatic (Q = 0) dan unsteady state.

Permasalahan

Pada steady state CSTR profil suhu maupun konsentrasi terhadap waktu reaksi tidak terlalu diperhitungkan. Asumsi yang digunakan adalah saat reaktan masuk reactor, reaktan langsung bereakasi sehingga konsentrasi dan temperaturnya langsung berubah sesuai dengan konsentrasi dan temperature keluar reactor. Pada unsteady state CSTR, asumsi tersebut tidak digunakan sehingga perlu dicari profil suhu dan konsentrasi terhadap waktu reaksi dalam CSTR.

Kasus yang digunakan sebagai dasar perhitungan adalah reaksi linier isomerisasi 1-hexene dalam dalam CSTR adiabatic pada saat start up reactor sehingga kondisi unsteady state bisa diperoleh. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Data-data yang digunakan diambil dari hasil eksperiment Renier Schwarzer dkk tentang model kinetika dimerisasi 1-hexene (journal of applied catalysis, 2008).

Volume reactor awal : 5 L

T= 532 K Kc = 1,4107

k = 3,2 menit^-1

C_pA= 312,3074 j/moll, asumsi tetap

ρ_A = 336,1 kg/m3, asumsi tetap

Ea = 64100 j/molK

delHr= -65900 j/mol K

suhu awal reaksi dan suhu masuk umpan 532 K

C_Ao = 10 mol/L

C_Bo = 0

Kecepatan volumetric, υ= 10 L/menit diasumsikan tetap

Dari data-data di atas dicari profil suhu dan konsentrasi terhadap waktu reaksi.

PEMBAHASAN

Untuk menyelesaikan persamaan diatas perlu di buat neraca mol dan neraca panas pada CSTR

<!–[if gte msEquation 12]>A↔B<![endif]–>

Perhitungan dilakukan dengan menggunakan program Polymath 5.1 dan diperoleh hasil sebagai berikut :

Gambar 1. Grafik hubungan waktu dengan konsentrasi A dan B

Dari grafik di atas bisa dilihat bahwa pada waktu 0- 0,523 menit terjadi penurunan konsentrasi A dan kenaikan konsentrasi B sampai tercapai kondisi steady state pada saat t = 0,523 menit. Dari sini bisa dilihat bahwa dibutuhkan waktu tertentu oleh reaktan dan produk untuk mecapai konsentrasi seperti pada konsentrasi keluar CSTR.

Selanjutnya profil konversi A dan konversi kesetimbangan terhadap waktu reaksi adalah sebagai berikut :

Gambar 2. Grafik hubungan waktu dengan konversi A dan konversi kesetimbangan

Dari gambar 2 juga bisa dilihat sampai t=0,523 menit terjadi penurunan konversi A dan kenaikan konversi kesetimbangan, selanjutnya nilai kedua konversi relative tetap karena reaksi sudah mencapai kondisi steady state.

Hal yang sama juga berlaku pada profil suhu terhadap waktu reaksi. Terjadi penurunan suhu sampai t= 0,235 menit kemudian suhu reaksi cenderung tetap.

Gambar 3. Grafik hubungan waktu dengan Temperatur Reaksi

KESIMPULAN

Pada startup CSTR terjadi gradient perubahan suhu dan konsentrasi terhadap waktu reaksi sampai diperoleh kondisi steady state. Kondisi steady state diperoleh pada saat t=0,523 menit, setelah waktu ini profil suhu dan konsentrasi cenderung tetap.