Makalah Teknik Reaktor Kimia

MAKALAH TEKNIK REAKTOR KIMIA

Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Teknik Reaktor Kimia

Di Susun Oleh : Rizkal Fadli (M1B115015)

DOSEN PEMBIMBING : NAZARUDIN, S.Si, M.Si,PhD

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JAMBI 2017

i

KATA PENGANTAR

Makalah ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Teknik Reaktor Kimia, tentang reactor kimia, jenis-jenis reactor, jenis reaksi dan katalis pada reactor, serta aplikasi reactor dalam perengkahan. Dengan selesainya makalah ini, kami ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1.

ALLAH SWT yang telah melimpahkan seluruh berkah dan hidayah-Nya kepada kami, kami, sehingga mampu mampu menyelesaikan makalah makalah ini.

2.

Orang tua, yang selama ini telah memberikan dukungan secara materil maupun dukungan moral yang tidak henti-hentinya. henti- hentinya.

3.

 Nazarudin, S.Si., M.Si., Phd selaku dosen pembimbing yang telah memberikan

dukungan

dan

bimbingan,

sehingga

kami

dapat

menyelesaikan makalah ini. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi masyarakat Indonesia, khususnya teman-teman Teknik Kimia, Kimia, Universitas Jambi. Jambi. Sehingga mengetahui mengetahui tentang reactor kimia.

Jambi, 11 Desember 2017

Penyusun

ii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .................................................................................. i DAFTAR DAFTAR ISI ............................... ................................................ .................................. ................................. ............................... ............... ii DAFTAR GAMBAR .................. ........ ................... ................... ................... ................... ................... .................. ................... .......... iii BAB I PENDAHULUAN PENDAHULUAN ................... ......... ................... .................. ................... ................... ................... ................... ........... .. 1 1.1. Latar Belakang Belakang ........................... ............................................ .................................. .................................. .................... ... 1 1.2. Manfaat dan Tujuan ......................................................................... 2 BAB II PEMBAHASAN .............................................................................. 3 2.1. Pengertian Reaktor .................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ........... 3 2.2. Pemilihan Jenis Reaktor & Tujuannya Tujuannya ................... .......... ................... ................... ................. ........ 3 2.3. Jenis-jenis Reaktor Kimia Kimia................... .......... ................... ................... ................... ................... ................. ........ 5 A. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan bentuk....................................... 7 B. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Operasi ................... .......... ............. .... 7 C. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Proses Kerjanya ......... 8 D. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Penggunaan ................... ......... ................... ........... .. 15 E. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Fasa .................. ......... ................... ................... .............. ..... 15 2.4. Fluid-fluid Reactor .................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ........... 16 2.5. Neraca 2.5.  Neraca Panas pada Reactor ................... ......... ................... ................... ................... ................... ................ ...... 17 2.6. Neraca 2.6.  Neraca Massa pada Reactor ................... .......... ................... ................... .................. ................... ............... ..... 21 2.7. Jenis Reaksi Reaksi & Katalis Pada Reaktor ................... .......... ................... ................... ................... .......... 27 A. Jenis Reaksi Pada Reaktor .................. ......... ................... .................. .................. ................... ............. .... 27 B. Katalis Pada Reaktor ................................................................... 27 2.8. Reaktor Konsep................... ......... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ............... ..... 30 2.9. Pengolahan biomassa biomassa sawit menjadi katalis ( Reaktor Biomassa) ..... 31 2.10.Perengkahan 2.10.Perengkahan CPO menjadi menjadi BBM.................. ......... ................... ................... .................. ................ ....... 34 BAB III PENUTUP ...................................................................................... 36 3.1. Kesimpilan Kesimpilan ................................. ................................................. ................................. .................................. .................... ... 36 3.2. Saran........................................ ........................................................ ................................. ................................. ....................... ....... 36 DAFTAR PUSTAKA ................... ......... ................... .................. ................... ................... .................. ................... .................. ........ 37

iii

DAFTAR GAMBAR

......... ................... .................. ................... ................... ................... .......... 5 Gambar 1. Internal Coil............. ................... Gambar 2. Jacket ................... ......... ................... .................. .................. ................... ................... .................. ................... ............... ..... 5 Gambar 3.  External heat Exchanger ................... .......... ................... .................. .................. ................... ............. .... 5 Gambar 4. Cooling by vapour phase ............................................................ 5

.................. .................. ................... ................... ................... ................... ........... .. 8 Gambar 5. Batch Reactor ........................... Gambar 6.  Batch Reactor with Coflux Jacket ................... .......... ................... ................... ................. ........ 8 Gambar 7. Reaktor Semi Batch .................................................................... 11

.......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... .......... 12 Gambar 8. Reaktor CSTR ................... Gambar 9. CSTR seri ............................................. ............................................................. .................................. ..................... ... 12 Gambar 10.  CSTR parallel........................................................................... 13 Gambar 11. Reaktor PFR................... ......... ................... .................. ................... ................... ................... ................... ........... .. 14 Gambar 12. PFR seri .............................................. .............................................................. .................................. ..................... ... 14

.................................................... ................................. .......................... ......... 14 Gambar 13. PFR Paralel .................................... Gambar 14. Trickle bed reactor ................................................................... 15 Gambar 15. Bubble Tank ................... ......... ................... .................. ................... ................... ................... ................... ........... .. 16

......... ................... .................. ................... ................... ................... ................... ........... .. 16 Gambar 16. Agitate Tank ................... Spray Tower Tower ............................... ................................................. .................................. ............................ ............ 16 Gambar 17. Spray Gambar 18. Shell and Tube reactor ............................................................. 27

......... ................... ................... .................. ................... .................. ................. ......... 28 Gambar 19. Fix bed reactor.................. ......... ................... ................... ................... ................... ................. ........ 28 Gambar 20. Fludized bed reactor .................. Gambar 21. Schematic of Fluidized bed reactor........................................... 28

Slurry reactor reactor ................................. ................................................. .................................. .......................... ........ 29 Gambar 22. Slurry Gambar 23. Rangkaian alat yang digunakan ................................................ 34

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang

Dalam teknik kimia,  reaktor kimia

adalah suatu  bejana tempat

 berlangsungnya reaksi kimia.  Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil  produk (output ) yang besar dibandingkan masukan (input ) dengan biaya yang minimum,  baik itu  biaya modal maupun operasi.  Tentu saja faktor keselamatan pun tidak  boleh dikesampingkan. Biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga  bahan baku,  upah operator,  dll. Perubahan energi dalam suatu reaktor kimia bisa karena adanya suatu  pemanasan atau  pendinginan,  penambahan atau pengurangan tekanan, gaya gesekan seperti  pengadukan, dll.Reaktor adalah jantung dari proses kimia. Reaktor adalah suatu tempat proses dimana bahan-bahan diubah menjadi  produk, dan perancangan reaktor untuk industri kimia harus mengikuti keperluan: 1.

Faktor kimia : reaksi kimia.

2.

Faktor transfer panas.

3.

Faktor transfer massa.

4.

Faktor keselamatan (Coulson, 1983).

Keberhasilan operasi suatu proses pengolahan sering kali bergantung pada efektifnya pengadukan dan pencampuran zat cair dalam proses itu. Istilah  pengadukan dan pencampuran sebenarnya tidak sinonim satu sama lain. Pengadukan (agitation) menunjukkan gerakan yang tereduksi menurut cara tertentu pada suatu bahan di dalam bejana, dimana gerakan itu biasanya mempunyai semacam pola sirkulasi. Pencampuran (mixing ) ialah peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak, dimana bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya, sedang bahan-bahan itu sebelumnya terpisah dalam dua fase atau lebih. Istilah pencampuran digunakan untuk berbagai ragam operasi, dimana derajat homogenitas bahan yang bercampur itu sangat  berbedas-beda. Tujuan dari pengadukan antara lain adalah untuk membuat suspense partikel zat padat, untuk meramu zat cair yang mampu cair ( miscible),

1

2

untuk menyebar (dispersi) gas di dalam zat cair dalam bentuk gelembunggelembung kecil. Untuk menyebarkan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan zat cair yang lain, sehingga membentuk emulsi atau suspense butiran-butiran halus, dan untuk mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan kumparan atau mantel kalor. Kadang-kadang pengaduk ( agitator ) digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam hidrogenasi, gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat partikel-partikel katalis padat dalam keadaan suspense, sementara kalor reaksi diangkat keluar melalui kumparan atau mantel.  Agitator   (pengaduk) biasanya juga digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam hidrogenasi katalitik pada zat cair. Dalam bejana hidrogenasi, gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat pertikel partikel katalis padat dalam keadaan suspensi, sementara kalor reaksi diangkut keluar melalui kumparan atau mantel (McCabe, 2003). Ada dua jenis reaktor kimia: 1.

Reaktor tangki atau bejana

2.

Reaktor pipa Kedua reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun partaian/ batch.

Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg namun terkadang bisa juga  beroperasi secara transien. Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan (mis: setelah perbaikan atau pembalian baru) dimana komponen produk masih berubah terhadap waktu. Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun terkadang ada juga  padatan yang diikutkan dalam reaksi (mis: katalisator, reagen, inert).

1.2 Manfaat dan Tujuan

Manfaat dan tujuan dari pembuatan makalah ini yaitu: 1. Mengetahui jenis-jenis reaktor kimia 2. Mengetahui jenis reaksi dan katalis pada reaktor 3. Dapat memilih reaktor dan tujuannya 4. Dapat mengaplikasikan langsung reaktor biomassa dalam pembuatan katalis dari biomassa sawit 5. Dapat memahami konsep reactor

BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Reaktor

Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi  berlangsung, baik itu reaksi kimia, nuklir, dan biologis, dan bukan secara fisika. Jenis reaktor sangat beragam, karena itulah pada makalah ini hanya dibahas salah satu jenis reaktor, yakni reaktor kimia. Reaktor Kimia adalah segala tempat terjadinya reaksi kimia, baik dalam ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti reaktor skala industri. Tidak seperti skala kecil dalam tabung reaksi, reaktor ukuran komersil industri perlu perhitungan yang teliti karena menyangkut jumlah massa dan energi yang besar. Perbedaan antara reaktor kimia dengan reaktor nuklir adalah pada Reaktor kimia, tidak ada perubahan massa selama reaksi dan hanya perubah dari satu  bahan ke bahan lain, sementara pada reaktor nuklir ada perubahan massa yang  berubah menjadi energi yang sangat besar. 2.2 Pemilihan Jenis Reaktor & Tujuannya

Reaktor kimia memiliki berbagai macam jenis dan bentuk yang dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa faktor, jenis-jenis reaktor ini akan di bahas lebih lanjut pada bab berikutnya. Untuk itulah alasan pemilihan jenis reaktor yang tepat tujuan pemilihannya serta parameter yang mempengaruhi rancangan nya untuk proses kimia tertentu perlu diketahui. 1. Faktor dalam memilih jenis reaktor Pemilihan jenis reaktor yang akan digunakan dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain : a) Fase zat pereaksi dan hasil reaksi  b) Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping c) Kapasitas produksi d) Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya

3

4

e) Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas 2. Tujuan dalam memilih jenis reaktor Tujuan utama dalam memilih jenis reaktor adalah alasan ekonomis, keselamatan, dan kesehatan kerja, serta pengaruhnya terhadap lingkungan. Berikut ini merupakan faktor-faktor yang menjadi pertimbangan dalam memilih jenis reaktor tertentu: a) Mendapat keuntungan yang besar, konversi, dan efisiensi terbesar  b) Biaya produksi rendah c) Modal kecil/volume reaktor minimum d) Operasinya sederhana dan murah e) Keselamatan kerja terjamin f) Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya 3. Beberapa parameter yang memengaruhi rancangan reaktor Dalam merancang suatu reaktor perlu diperhatikan parameter-parameter tertentu agar reaktor yang dibangun dapat memenuhi unjuk kerja yang diharapkan. Parameter nya antara lain: a) Waktu tinggal  b) Volum (V) c) Temperatur (T) d) Tekanan (P) e) Konsentrasi senyawa (C1, C2, C3, …,Cn f) Koefisien perpindahan panas (h, U) Pada dasarnya dalam merancang reaktor perlu diperhatikan faktor neraca massa dan energinya. Secara garis besar umumnya reaktor dianggap ideal atau  beroperasi dalam keadaan steady state, dengan kata lain besarnya massa yang masuk akan sama dengan massa yg keluar ditambah akumulasi. Sementara untuk menunjang energi yang diperlukan agar terjadinya reaksi kimia tertentu dalam reaktor, biasanya dilakukan penambahan atau pengambilan  panas dari reaktor dengan menggunakan tipe heat exchanger tertentu, antara lain:

5

Gambar 2. Jacket 

Gambar 1. Internal Coil 

Gambar 3.  External heat Exchanger 

Gambar 4. Cooling by vapour phase

2.3 Jenis-jenis Reaktor Kimia

Secara umum terdapat dua jenis utama reaktor kimia yang dibedakan  berdasarkan bentuknya, antar lain: 

Reaktor tangki atau bejana



Reaktor pipa Kedua jenis reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun

 partaian/batch. Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg (stabil) namun kadang-kadang bisa juga beroperasi secara transien (berubah-ubah/tidak stabil). Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan, misalnya: setelah perbaikan atau pembelian baru, di mana komponen produk masih berubah terhadap waktu.

6

Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun kadang-kadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi, misalnya: katalisator, reagent inert. Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan direaksikan akan berbeda-beda bergantung pada mekanisme reaksinya. Untuk memudahkan dalam mempelajari jenis-jenis reaktor kimia, maka  jenis reaktor kimia dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa klasifikasi, misalnya : berdasarkan bentuk, keadaan proses, keadaan operasi, penggunaan, dan fasa. Sebenarnya klasifikasi ini dapat bermacam-macam dan bukan merupakan aturan  baku, namun dalam makalah ini penulis mencoba untuk menggabungkan beberapa sumber sehingga diharapkan dapat lebih mudah dipahami. Lebih jelasanya klasifikasi tersebut dapat dilihat pada diagram berikut :

Reaktor 

Berdasarkan Bentuk 

Berdasarkan Keadaan operasi

Berdasarkan Keadaan Proses

Berdasarkan Penggunaan

Berdasarkan Fasa

1. Tangki

1. Isotermal

1. Batch

1. Polimerisasi

1. Homogen

2. Alir PIpa

2. Adiabatis

2. Semi-Batch

2. Biologi

2. Heterogen

3. Non adiabatis

3.Kontinyu

3. Elektrokimia

7

A. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan bentuk

Reaktor dapat dibedakan yang paling sederhana adalah berdasarkan  bentuknya. Terdapat dua bentuk utama dari reaktor, antara lain : 1. Reaktor tangki Dikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform. Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir. 2. Reaktor pipa Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir didalam  pipa dengan arah sejajar sumbu pipa. B. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Operasi

Reaktor dapat dibedakan berdasarkan keadaan operasinya, hal ini dapat dilakukan karena reaksi kimia biasanya disertai dengan penyerapan atau pelepasan energi berupa panas (endotermik, dan eksotermik), sehingga dapat teramati melalui perubahan suhu dari komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi. Klasifikasnya antara lain: 1. Reaktor isotermal Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama. 2. Reaktor adiabatis 

Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya.



Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. ( K naik dan  besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek).

3. Reaktor Non-Adiabatis

 – rA

8

Reaktor kimia adalah jenis reaktor yang umum sekali digunakan dalam industri. Hal ini dikarenakan, dalam sintesis bahan kita selalu memerlukan jenis reaktor ini. C. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Proses Kerjanya

Keadaan proses dalam industri terdapat tiga jenis, yakni: Batch, Semi  batch, dan Kontinyu. Berdasarkan tiga jenis proses ini juga dapat digunakan dalam membedakan jenis reaktor yang digunakan, antara lain: 1. Reaktor batch  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 jenis ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi  berkapasitas kecil misalnya dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, reaksi kimia, Batch distillation, kristalisasi, ekstraksi cair-cair, polimerisasi, farmasi dan fermentasi. Beberapa ketetapan menggunakan reactor tipe Batch : 

Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperature



Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama



Reaktor ideal

Gambar 5.  Batch Reactor 

Gambar 6.  Batch Reactor with Coflux Jacket 

9

Konstruksi

 Batch reactor   bisa tersusun oleh sebuah tangki dengan

 pengaduk serta sistem pendingin atau pemanas yang menyatu dengan reaktor. Tangki ini memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari < 1 L sampai > 15.000 L tergantung kebutuhan.  Batch reactor   biasanya terbuat dari baja, stainless steel atau baja berlapis kaca.Padatan dan cairan yang akan masuk reaktor biasanya melalui sambungan yang terdapat pada tutup atas reaktor. Untuk uap dan gas yang keluar reaktor  biasanya juga melalui bagian atas, sedangkan untuk cairan keluar melalui bagian  bawah.  Reaktor batch  di desain untuk beroperasi dalam proses unsteady  –   state,  banyak reaktor batch menunjukkan perilaku nonlinier yang dimiliki oleh pasangan reaksi kinetika dan temperatur reaktor, dimana lebar jarak temperatur berlebih, dengan kata lain reaksi berjalan eksotermis memproduksi panas berlebih sehingga harus dihilangkan dengan sistem pendinginan. Sirkulasi pompa untuk pendingan  bertujuan meminimalkan waktu tinggal agar tetap konstan. Misalkan : A + B

 P

 Neraca massa untuk komponen A adalah : •

Amasuk

= Akeluar + Aterakumulasi + Ayang bereaksi

•

FAi

= FAC + (dNA/dt) + (-rA)(V)

•

FAi

= FAC = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar



r  A

 

1 dN A

V 

dt 

Pada batch reaktor volume tetap Mole A setelah reaksi berlangsung selama waktu t sebanding dengan konsentrasi A yang tersisa dalam larutan di kali dengan volume.  NA (mole) = CA . V (mole/volume) x (volume) Bentuk differensialnya :

dN  A dt  dN  A dt 







d  C  AV 



dt  V .dC  A dt 



C  A .dV  dt 

10

Karena volume tetap maka perubahan volume dV=0 dN  A dt 

(V )dC  A 

dt 

Sehingga :



r  A

 

1 dN  A

V 

dt 

 

dC A dt 

Kelebihan dan Kelemahan Batch Reactor 

Kelebihan

1) Ongkos atau harga instrumentasi rendah. 2) Penggunaannya fleksibel, artinya dapat dihentikan secara mudah dan cepat kapan saja diinginkan. 3) Penggunaan yang multifungsi. 4) Reaktor ini dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan campuran kuat dan beracun. 5) Mudah dibersihkan. 6) Dapat menangani reaksi dalam fase gas, cair dan cair-padat. 7) Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperatur  8) Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama 9) Reaktor ideal 10) Lebih mudah pengoperasiannya 11) Lebih mudah dikontrol 

Kelemahan

1) Biaya buruh dan handling  tinggi. 2) Kadang-kadang waktu  shut downnya besar, yaitu

waktu untuk

mengosongkan, membersihkan dan mengisi kembali. 3) Pengendalian kualitas dari produk jelek atau susah. 4) Skala produksi yang kecil. 5) Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada lubang pengaduk) Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untuk  pengisian, pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reactor, waktu reaksi).

11

2. Reaktor semi-batch Reaktor  semi-batch  umumnya berbentuk tangki berpengaduk, cara operasinya adalah dengan jalan memasukan sebagian zat pereaksi ke dalam reaktor, sedangkan zat pereaksi yang lain atau sisanya dimasukan secara kontinyu ke dalam reaktor. Ada material yang masuk selama operasi tanpa dipindahkan. Reaktan yang masuk bisa dihentikan, dan produk bisa dipindahkan selama operasi waktu tertentu. Tidak beroperasi secara steady state. 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).

Gambar 7. Reaktor Semi Batch

3. Reaktor kontinyu Reaktor kontinyu mempunyai aliran masukan dan keluaran (inlet/outlet) yang terdiri dari campuran homogen/heterogen. Reaksi kontinyu di operasikan  pada kondisi steady, dimana arus aliran masuk sama dengan arus aliran keluar. Reaktor kontinyu dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu : a) Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) atau Continous Stirred Tank  Reaktor (CSTR) Biasanya berupa tangki berpengaduk dengan asumsi pengadukan sempurna, konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan katalisnya berfasa cair, atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis cair.

12

Gambar 8. Reaktor CSTR

Reaktor CSTR dapat disusun secara seri maupun paralel seperti yang terlihat pada gambar berikut:

Gambar 9. CSTR seri

13

Gambar 10. CSTR paralel

Pemasangan secara seri akan meningkatkan kemampuan konversi reaktor CSTR, semakin banyak jumlah yang dipasang seri maka konversinya akan semakin mendekati reaktor PFR denganh volume yang sama. Sementara  pemasangan secara paralel umumnya bertujuan untuk meningkatkan kapasitas  produsi dengan konversi yang sama. Kelebihan: 

Kontrol temperature yang baik dapat mudah dijaga



Realtif murah dalam instalasi



Reaktor memiliki kapasitas panas yang besar



Bagian dalam reaktor dapat mudah diakses saat perawatan

Kekurangan: 

Konversi reaktan menjadi produk per volume reaktor relatif kecil bila dibandingkan dengan jenis reaktor kontinyu lainnya. CSTR umum digunakan pada industri proses, terutama dengan reaksi

homogen fasa cair, dimana diperlukan pengadukan yang konstan. CSTR juga  banyak digunakan pada proses biologi di industri dan dikenal dengan sebutan  Fermentor. Contohnya pada industri antibiotik, dan waste water treatment.  Fermentor Mendegradasi atau menghancurkan molekul berukuran besar menjadi berukuran lebih kecil dengan hasil sa mping pada umumnya adalah alkohol.

14

 b) Reaktor Alir Pipa (RAP) atu Plug Flow Reaktor (PFR) Merupakan suatu reaktor berbentuk pipa yang beroperasi secara kontinyu. Dalam PFR selama operasi berlangsung bahan baku dimasukkan terus menerus dan produk reaksi akan dikeluarkan secara terus menerus sehingga tidak terjadi  pencampuran ke arah aksial dan semua molekul mempunyai waktu tinggal di dalam reaktor sama besar.

Gambar 11. Reaktor PFR 

Seluruh reaktan masuk melalui bagian inlet reaktor, semua perhitungan dalam merancang PFR harus dengan asusmsi bahwa tidak terjadi back mixing, downstream, dan upstream. PFR memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibanding CSTR pada volume yang sama. Seperti pada reaktor CSTR, reaktor PFR juga dapat disusun secara seri maupun paralel seperti yang terlihat pada gambar berikut:

Gambar 12. PFR seri

Gambar 13. PFR Paralel

15

PFR yang dipasang seri maka konversinya akan sama de ngan PFR tunggal yang panjangnya sama dengan jumlah dari panjang tiap reaktor PFR penyusun, sementara untuk yang dipasang paralel tujuan nya sama dengan CSTR, yakni meningkatkan kapasitas produksi dengan konversi yang sama. PFR memiliki aplikasi yang luas, baik dalam sistem fasa gas, maupun fasa cair. Umumnya digunakan pada sintesis amoniak dari unsur-unsur penyususnnya, dan oksidasi sulfur dioksida menjadi sulful trioksida. D. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Penggunaan

Reaktor dapat di klasifikasikan berdasarkan tujuan penggunaan akhirnya, contohnya adalah reaktor polimerisasi yang digunakan dalam reaksi pembentukan  polimer dari monomer-monomer penyusunnya, reaktor biologi yang biasa digunakan untuk proses fermentasi sehingga disebut sebagai fermentor. E. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Fasa

Reaktor dapat diklasifikasikan berdasarkan fasa nya, yakni reaktor homogen, dan reaktor heterogen. Disebut reaktor homogen jika reaktan, produk, dan atau

katalisnya

berada

pada

fase

yang

sama.

Contohnya adalah reaktor batch dengan reaktan berfasa cair dan produk yang dihasilkan berfasa cair pula. Sementara reaktor heterogen adalah reaktor dengan reaktan, produk, dan atau katalis berada pada fase yang berbeda (dua fasa atau lebih). Contohnya adalah

reaktor

Trickle Bed dengan reaktan serta

 produk berupa fasa gas dan cair, sementara katalis yang digunakan adalah padatan.

Gambar 14. Trickle  bed reactor

16

2.4 Fluid-fluid reactor

Biasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair.

a.  Bubble Tank Gas Liquid

 

Liquid

Gas

Gambar 15. Bubble Tank 

b. Agitate Tank

Gambar 16.  Agitate Tank 

c. Spray Tower

Liquid in

Gas in

Gas out

Liquid out

Gambar 17. Spray Tower 

17

Pertimbangan dalam pemilihan fluid-fluid reaktor. 1. Untuk gas yang sukar larut (Kl <) sehingga transfer massa kecil maka Kl harus diperbesar . Jenis  spray tower   tidak sesuai karena kg besar pada Spray Tower 2. Jika lapisan cairan yang dominan, berarti tahanan dilapisan cairan kecil maka Kl harus diperbesar » jenis spray tower tidak sesuai. 3. Jika lapisan gas yang mengendalikan (maka Kg <) » jenis bubble tank dihindari. 4. Untuk gas yang mudah larut dalam air » jenis bubble tank dihindari. 2.5 Neraca Panas pada Reactor a.

Panas Reaksi

Panas reaksi (Notasi ∆H) merupakan ukuran tentang banyaknya panas yang diserap atau dikeluarkan pada saat suatu reaksi berlangsung. Misalnya untuk reaksi berikut ini :

aA +

bB

rR +

sS

∆H r kkal/mol

Panas reaksi (∆H r ) didefinisikan sebagai panas yang dibutuhkan/dihasilkan  bil a mol zat A bereaksi dengan b mol zat B membentuk r mol zat R dan s mol zat S. Besarnya panas reaksi ini selain, selain tergantung pada temperatur dan tekanan operasinya, juga tergantung pada keadaan sistim itu sendiri, yaitu apakah sistim tempat reaksi berlangsung merupakan sistim terbuka atau tert utup.

1.

Sistim terbuka

Secara termodinamika bisa dibuktikan bahwa panas reaksi untuk sistim terbuka adalah sama dengan perbedaan entalpi produk total dengan entalpi reaktan total, atau :

∆Hr = ∑ ni hi

............................................. (1)

di mana : hi adalah entalpi molar komponen i Kalau entalpi produk total lebih besar dari pada entalpi reaktan total, maka

∆Hr   akan berharga positif. Ini berarti bahwa sejumlah panas harus ditambahkan

18

agar reaksi dapat berlangsung. Reaksi yang semacam ini disebut reaksi endotermik.

Untuk keadaan sebaliknya, yaitu ∆H r < 0 , berarti bahwa sejumlah

 panas akan dibebaskan pada saat reaksi berlangsung dan reaksi ini disebut reaksi eksotermik. Harga panas reaksi pada suhu standar untuk reaksi-reaksi tertentu

 biasanya telah tersedia di dalam tabel-tabel termodinamika. Bila seandainya untuk reaksi-reaksi tertentu data panas reaksinya tidak bisa diperoleh secara langsung, maka bisa saja ditempuh cara lain, yaitu dengan menghitungnya berdasarkan : 1.

Data entalpi pembentukan standar (∆H f o) atau

2.

Data entalpi pembakaran (∆H co).

2.

Sistim Tertutup

Sistim tertutup dapat dibagi dalam 2 (dua) katagori, yaitu : Sistim tertutup pada tekanan konstan

Untuk sistim seperti ini, panas reaksi dihitung tepat sama dengan apa yang telah diturunkan untuk sistim terbuka, yaitu panas reaksi adalah sama dengan  perbedaan entalpi produk dan reaktan. Sisitim tertutup pada volume konstan

Menurut hukum termodinamika panas reaksi untuk sistim tertutup pada volume konstan, adalah sama dengan perbedaan energi dalam (internal energi)antara produk dan reaktan, atau dituliskan :

∆Ur  = ∑ ni Ui 

....................................(2)

di mana : Ui adalah energi dalam molar senyawa i.

b.

Estimasi Efek Panas

Penentuan panas reaksi biasanya dilakukan di dalam suatu alat yang disebut

“Bomb calometri”.   Alat ini berupa suatu sistim reaktor tertutup dengan volume konstan, sehingga panas reaksi yang kita dapatkan adalah sama dengan perubahan enrgi dalamnya. Untuk merubah panas reaksi pada volume konstan menjadi panas reaksi pada tekanan konstan seperti dinyatakan dalam banyak literatur, dipakai korelasi sebagai berikut : H = U + pV

.....................................(3)

19

Perubahan entalpi pada temperatur dan tekanan konstan adalah :

∆HP,T = ∆UP,T + p(∆V)T 

.....................................(4)

di mana :

∆UP,T adalah perubahan energi dalam pada temperatur dan tekanan konstan Untuk gas-gas yang mendekati hukum gas ideal dan perubahan tekanan di dalam

alat bomb calorimeter tidak terlalu besar, nilai ∆U P,T kira-kira sama dengan  perubahan energi dalam pada temperatur dan volume konstan, atau dituliskan :

∆UP,T = ∆UV,T

.....................................(5)

Sehingga persamaan (4) menjadi :

∆HP,T = ∆UV,T + p(∆V)T

.....................................(6)

Apabila selama reaksi jumlah mol total adalah tetap (atau kalau di dalam sistim terjadi proses pengembunan, sehingga jumlah mol di dalam fasa adalah tetap), maka :

∆HP,T = ∆UV,T

.....................................(7)

Apabila campuran reaksi di dalam reaktor dianggap mengikuti hukum gas ideal, maka :

 p(∆V)T = ∆n RT

................................... (8)

Sehingga persamaan (8.6), dapat dituliskan menjadi :

∆HP,T = ∆UV,T + ∆n RT   Pada perhitungan-perhitungan

.....................................(9)

 praktis harga p(∆V)T  ini biasanya relatif kecil

dibandingkan dengan ∆U V,T , sehingga kalau diambil saja : ∆H P,T = ∆UV,T , kesalahan yang dibuat bisa diabaikan.

c. Pengaruh Temperatur Terhadap Panas Reaksi

Panas reaksi pada temperatur T 2  (keadaan akhir) dapat ditentukan  berdasarkan data panas reaksi pada temperatur T1 (keadaan awal) yang diketahui menurut korelasi. di mana :

= Σ ni Cpi Cpi = panas jenis komponen i = panas reaksi molar pada temperatur T 1 dan T 2

20

Karena panas jenis Cp dari masing-masing komponen biasanya dinyatakan dalam  bentuk fungsi temperatur yaitu :

Cp = α + β T + γ T 2 di mana :

∆α = Σ ni α ∆β = Σ ni β ∆γ = Σ ni γ d. Neraca Energi untuk Reaktor Batch

Hal yang pertama diperhatikan untuk menurunkan persamaan neraca energi di dalam reaktor batch adalah diketahui dahulu apakah sistim operasi pada volume konstan atau pada tekanan konstan. Untuk keadaan yang pertama (volume konstan) setiap perubahan energi yang dialami sistim adalah ekivalen dengan  perubahan energi dalamnya. Sedangkan untuk sistim yang kedua (tekanan tetap) setiap perubahan energi yang dialami sistim adalah ekivalen dengan perubahan entalpi. Dengan demikian neraca energi untuk reaksi : aA

+

bB

rR +

sS

dapat dituliskan sebagai berikut : Panas yang masuk

+

Panas yang dihasilkan = reaksi

Panas yang terakumulasi

.......... (10)

Kedua prinsip diatas harus betul-betuk dipahami, walaupun di dalam  perhitungan-perhitungan praktis seringkali hanya dipakai model persamaan (15),  baik untuk sistim dengan volume tetap maupun sistim dengan tekanan tetap (konstan). Kesalahan yang terjadi relatif kecil sekali dan dapat diabaikan). 

Reaktor Batch dengan Operasi Adiabatik 

Dalam operasi adiabatik tidak ada sama sekali panas yang masuk maupun yang keluar dari sistim, atau : Q = 0 

Reaktor Batch dengan Operasi Isotermal

Temperatur adalah konstan selama berlangsung, yang berarti bahwa semua panas yang dihasilkan/diserap adalah sama dengan panas yang dipindahkan

21

melalui dinding media pemindah panas, sehingga tidak ada akumulasi panas di dalam sistim. Persamaan neraca energi untuk sistim operasi semacam ini adalah :

Panas yang dihasilkan = Panas yang reaksi dipindahkan = - UA (T k  –  T) ........(11) di mana : Tk  T U A Tk   - T

= temperatur medium penukar panas = temperatur reaksi = over all heat tranfer coefficient = luas bidang penukar panas = perbedaan temperatur antara campuran reaksi dengan media  penukar panas

Jika sebagai medium penukar panas dipakai suatu fluida yang mengalir di dalam pipa (heat exchanger), dengan temperatur masuk dan keluar masing-masing adalah Tk1 dan Tk2, maka perbedaan temperatur rata-rata antara medium pemindah  panas dan campuran reaksi.

2.6 Neraca Massa pada Reactor 1. Neraca Massa dan Persamaan Karakteristik Reactor Alir Sumbat

 Neraca massa pada reaktor alir pipa pada kondisi steady state sebagai  berikut :

CAo FAo XAo vo

FA

FA+dFA

XA

XA+dFA

CAf  FAf  XAf  vf

dv L

Skema neraca masa di dalam reaktor alir pipa  Neraca masa di dalam segmen volume dV adalah sebagai berikut :

FA

= A masuk

atau:

( -r A ) dV =

+

A yang hilang karena reaksi

- dFA = -r A dV

( FA + dFA )

(1)

A yang keluar (2)

22

karena - FA = FA0 ( 1 –  XA ) maka persamaan (2) bisa ditulis dalam fungsi XA , menjadi FA0 dXA = -r A dV

(3)

dXA -r A -r A ---- = ---- = ----dV FA0  υo CAo

(4)

atau,

Karena -r A

merupakan fungsi dari X A, maka persamaan (4) biasanya ditulis

sebagai berikut : dV dV dXA ---- = ----- = ------FA0  υo CAo -r A

(5)

Besarnya konversi pada bagian keluaran (output) reaktor diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan 5 , untuk seluruh volume reaktor V dengan harga  batas antara XAo dan X A, V ----

 υo

XA = CAo

∫

XA0

dXA -------r A

(6)

dimana : V volume reaktor ------ = --------------------laju alir umpan  υo

= τ p =  space time

Kebalikan dari space time adalah space velocity τ s = 1/ τ p , yaitu kecepatan alir umpan yang diizinkan per satuan volume reaktor untuk mendapatkan suatu harga konversi tertentu. Persamaan (6) sekarang dapat dituliskan menjadi,

τ p =

CAo

∫

XA

XA0

dXA -------r A

(7)

Persamaan (7) disebut sebagai persamaan karakteristik reaktor alir pipa (  plug-flow reactor, PFR) kalau dibuatkan plot antara C Ao/-r A  sebagai fungsi dari

23

XA

, maka τ p merupakan luas bidang di bawah kurva dengan batas dari XAo

sampai dengan X A1. 2.Volume campuran tetap selama reaksi

Kalau volume campuran tidak berubah selama reaksi berlangsung, maka  space time

(τ p) adalah identik dengan waktu tinggal   campuran tersebut di dalam

reaktor. Untuk keadaan yang seperti ini persamaannya dapat ditulis sebagai  berikut: CA

τ p =

CA CAo dXA / -r A =

∫

(8) CAo

∫

dCA/ -r A

CAo

Harga

τ p  yang diperoleh adalah ekivalen dengan waktu reaksi t di dalam

sistim reaktor batch.

3.Volume campuran berubah selama reaksi

Berubahnya volume campuran karena adanya reaksi kimia akan mengakibatkan berubahnya laju alir campuran di setiap titik sepanjang reaktor. Besarnya perubahan ini akan tergantung pada derajat konversi yang di capai pada titik-titik tersebut. Makin jauh titik yang ditinjau dari titik inputnya, maka makin  besar pula derajat konversinya sehingga laju alir volumenya akan makin berbeda dari laju alir volume asalnya.

Hubungan antara laju alir pada suatu konversi ( υ ) terhadap laju alir asal (υo) adalah identik dengan hubungan antara volume campuran ( V ) dengan volume campuran asal ( Vo) untuk reaktor batch yaitu :

 υ = υo ( 1 + εA XA )

dimana

VXA =1 –  VXA= 0 εA = ---------------------VXA=0

(9)

(10)

24

Adanya perubahan laju alir ini akan secara langsung mempengaruhi  banyaknya hasil reaksi yang terjadi. Secara kuantitatif, pengaruh perubahan volume terhadap hasil yang diperoleh da diturunkan berdasarkan persamaan 7.

τ p =

CAo

∫

XA

XA0

Karena V p

dXA -------r A

dan υo  mempunyai harga  –   harga yang sudah tertentu , maka

space time (τ p) akan selalu konstan dan tidak dipengaruhi oleh ada atau tidaknya  perubahan volume campuran selam areaksi . Variabel yang dipengaruhi oleh adanya perubahan ini hanyalah  – r A yang merupakan fungsi dari C A. Misalnya untuk reaksi orde n. -r A = k CAn 

dimana

FA CA = -----

 υ

(11)

( ingat CA ≠

NA --------- ) Vreaktor 

FA0 ( 1- XA) CA = -------------------- νo ( 1+ εAXA)

(12)

(13)

Korelasi antara space time ( τ p ) dengan X A diperoleh dengan memasukkan  persamaan 11 dengan 7-13 ke dalam persamaan 7, yaitu :

XA dXA τ p = CAo ∫ ------------------------------0 n ( 1  –  XA )n k CAo -----------------( 1 + εAXA )n Atau, CAo 1-n XA ( 1 + εAXA )n τ p  = --------- ∫ --------------------- d XA  k 0 ( 1  –  XA )n

(14 )

(15)

25

Harga τ p ini sering dipakai di dalam perhitungan perhitungan desain suatu reaktor alir pipa, walaupun secara fisis besaran ini tidak menunjukkan waktu reaksi di dalam reaktor. Waktun reaksi yang dimaksud biasanya dituangkan dalam  besaran waktu yang lain yang disebut waktu tinggal rata-rata campuran di dalam reaktor, dengan definisi sebagai berikut: V

τ rata-rata = ∫ dV / υ = waktu tinggal rata -rata

(16)

0

Hubungan τ

rata-rata 

dengan X A

diperoleh berdasarkan neraca massa

komponen A di dalam reaktor : d V ( -r A ) = FAo dXA 

(17)

atau, FAo dXA dV = -------------( -r A )

(18)

Karena υ merupakan fungsi X A  menurut persamaan 7-9, maka waktu tinggal rata-rata campuran di dalam reaktor dapat dinyatakan sebagai berikut :

τ rata-rata = V/ υ = ∫

XA FAo dXA ------------------------------0 υo ( 1 + εA XA ) ( -r A )

(19)

atau

τ rata-rata = CAo

XA

∫ 0

dXA -------------------------( 1 + εA XA ) ( -r A )

(20)

Bila volume campuran berubah sesuai dengan konversi reaksi maka untuk : 1) Reaksi orde nol

τ rata-rata = CAo

XA dXA ∫ ---------------- = 0

( -r A )

CAo

XA dXA ∫ ---------------0

k

(21)

26

2) Reaksi orde satu irreversibel

A

Produk

dengan

-r A = k CA

 NA  NA0 ( 1 –  XA ) ( 1 –  XA ) CA = ------ = ----------------- = CA0 -------------V Vo ( 1 + ε A XA) ( 1 + εAXA )

(22)

sehingga :

τ rata-rata

XA dXA XA dXA = CAo ∫ ---------- = CAo ∫ -------------------------------(23) 0 ( -r A ) 0 k CAo ( 1-XA )/ ( 1 + ε AXA ) XA

( 1 + εAXA ) dXA

= 1/k ∫ -------------------0

( 1-XA )

k τ = - ( 1 + εAXA ) ln ( 1 –  XA ) - εAXA 

(24)

3) Reaksi orde satu reversible r R ,

A

- r A

= k 1 CA

-

k 2 CR

dan

dengan M = C R0 / CAo XAe = konversi reaksi

pada

kesetimbangan

τ rata-rata = CAo ∫

XA dXA ---------------------0 k 1 CA - k 2 CR

τ rata-rata = CAo ∫

XA dXA ---------------------------------------------------------0 k 1 ( CA0 - CA0 XA ) - k 2 ( CA0 M + CA0 XA )

k 1 τ rata-rata

M + r XAe = ---------------- [ M +r

XA ( 1 + ε AXA ) ln ( 1 - ----- ) XAe

(25)

εAXA )(7-26)

27

2.7 Jenis Reaksi & Katalis Pada Reaktor A. Jenis Reaksi Pada Reaktor

Seperti yang telah diketahui, reaktor merupakan tempat terjadinya reaksi kimia. Jenis reaksi kimia dalam reaktor secara garis besar dibagi ke dalam  beberapa jenis, antara lain: •

Kombinasi langsung atau reaksi sintesis A + B = AB

•

Dekomposisi/Penguraian atau reaksi analisis AB = A + B

•

Reaksi subtitusi tunggal A + BC = AC + B

•

Reaksi subtitusi ganda/metatesis AB + CD = CB

B. Katalis Pada Reaktor Terkadang dengan tujuan untuk meningkatkan kinerja reaktor dengan cara

mempercepat tercapainya konversi reaksi tertentu dipergunakanlah katalis. Katalis merupan suatu zat yang digunakan untuk mempercepat reaksi tetapi terlepas,  bahkan dapat dikatakan tidak ikut bereaksi. Berikut merupakan contoh beberapa  jenis reaktor yang menggunakan katalis, antara lain: 1. Shell And Tube Reactor Seperti

reaktor

pipa

tetapi

berupa

 beberapa pipa yang disusun dalam sebuah shell, reaksi

berjalan

di

dalam

pipa

pipa

dan

 pemanas/pendingin di shell. Alat ini digunakan apabila dibutuhkan sistem transfer panas dalam reaktor

Gambar 18. Shell and Tube reactor 

28

2.  Fix Bed Reactor Merupakan reaktor berbentuk pipa besar yang didalamnya berisi katalisator padat. Bisanya digunakan untuk reaksi fasa gas dengan katalisator  padat. Apabila diperlukan proses transfer panas yang cukup besar biasanya  berbentuk  fixed bed multitube, dimana reaktan bereaksi di dalam tube-tube yang  berisi katalisator dan pemanas/pendingin mengalir di luar tube.

Gambar 19. Fix bed reactor 

3.  Fluidized Bed Reactor Biasanya digunakan untuk reaksi fasa gas katalisator padat dengan umur katalisator yang sangat pendek sehingga harus cepat diregenerasi, atau padatan dalam reactor adalah reaktan yang bereaksi menjadi produk.

Gambar 20 . Fludized bed reactor 

Gambar 21. Schematic of Fluidized bed reactor 

29

4. Trickle Bed Reactor Reaktor trickle bed adalah reaktor dengan packing katalis dimana fasa cair dan gas mengalir searah ke bawah yang mengalami interaksi pada katalis padatan. Reaktor ini digunakan untuk memanaskan feed (umpan) menjadi vapour.

5. Slurry Reactor Reactor ini menggunakan liquid sebagai reaktant dan solid sebagai katalis. Biasanya terdiri dari liquid stirred tank, pada beberapa keadaan, gas sebagai reaktan juga diembunkan melalui reaktan. Keberadaan katalis sebagai slurry membuat penambahan dan pengambilan katalis dalam proses menjadi mudah.

Gambar 22. Slurry reactor 

30

2.8 Reaktor Konsep

Karena tujuan utama reaktor adalah untuk memberikan kondisi yang diinginkan untuk reaksi, laju reaksi per satuan volume reaktor penting dalam menganalisis atau mengukur suatu reaktor. Untuk tingkat produksi tertentu, ia menentukan volume reaktor yang dibutuhkan untuk mempengaruhi transformasi yang diinginkan. Waktu tinggal di reaktor berbanding terbalik dengan istilah kecepatan ruang (didefinisikan sebagai laju umpan / volume reaktor volumetrik). Fraksi reaktan yang dikonversi ke produk dan produk sampingan adalah konversi. Fraksi produk yang diinginkan dalam bahan yang dikonversi pada basis molar disebut sebagai selektivitas. Produk konversi dan selektivitas fraksional memberikan ukuran fraksi reaktan yang dikonversi ke produk, yang dikenal sebagai hasil. Hasil produk memberikan ukuran langsung dari tingkat (atom)  pemanfaatan bahan baku dan mungkin merupakan komponen penting dari biaya operasi. Ukuran penggunaan reaktor yang disebut. (STY) adalah rasio laju  pembangkitan produk terhadap volume reactor. Interaksi antara kinetika, aliran fluida, resistensi transpor, dan efek panas kadang menghasilkan beberapa kondisi mapan dan perilaku sementara (dinamis). Dinamika reaktor juga dapat mengakibatkan perilaku pelarian, dimana suhu reaktor terus meningkat sampai reaktan habis, atau perilaku salah, dimana  pengurangan suhu masuk (atau laju alir reaktan) dapat menyebabkan suhu meningkat di hilir dan kemungkinan pelarian. Karena perilaku semacam itu dapat mengakibatkan gangguan besar dalam proses dan kemungkinan masalah keamanan, sebuah strategi pengendalian reaktor harus dilaksanakan. Kebutuhan untuk beroperasi dengan aman dalam semua kondisi memerlukan analisis menyeluruh untuk memastikan bahwa reaktor tersebut secara inheren aman dan  bahwa semua kemungkinan hasil yang tidak aman telah dipertimbangkan dan ditangani. Kebutuhan untuk beroperasi dengan aman dalam semua kondisi memerlukan analisis menyeluruh untuk memastikan bahwa reaktor tersebut secara inheren aman dan bahwa semua kemungkinan hasil yang tidak aman telah dipertimbangkan dan ditangani. Karena berbagai pelarut dapat digunakan dalam

31

 proses kimia dan reaktor menghasilkan produk dan produk sampingan, emisi  pelarut dan produk sampingan dapat menyebabkan emisi dan masalah tapak lingkungan yang harus di pertimbangakan. Desain reaktor sering dibahas dalam hal variabel independen dan dependen. Variabel bebas adalah pilihan seperti jenis reaktor dan internal, jenis katalis, suhu masuk, tekanan, dan komposisi pakan segar. Variabel dependen dihasilkan dari pemilihan variabel independen. Mereka mungkin dibatasi atau tidak dibatasi. Variabel dependen yang dibatasi sering termasuk penurunan tekanan (terbatas karena biaya kompresor), komposisi umpan (didikte oleh komposisi aliran daur ulang), kenaikan suhu (atau penurunan), dan komposisi lokal dan efluen. Masalah desain reaktor sering ditujukan untuk mengoptimalkan variabel bebas (dalam batasan) untuk memaksimalkan fungsi objektif (seperti nversi dan selektifitas. Karena umpan reaktor mungkin mengandung spesies inert (misalnya nitrogen dan pelarut) dan karena mungkin ada pakan dan produk sampingan yang tidak bertanda dalam efluen reaktor, sejumlah operasi unit (penyulingan,  penyaringan, dll) mungkin diperlukan untuk menghasilkan produk yang diinginkan Dalam prakteknya, aliran massa dan energi melalui proses ditangkap oleh flow sheet proses. Lembar alir mungkin memerlukan daur ulang (dari umpan yang tidak bertanda, pelarut, dll.) Dan pembersihan yang dapat mempengaruhi kimia reaksi. Desain dan operasi reaktor mempengaruhi proses dan sebaliknya. 2.9 Pengolahan biomassa sawit menjadi katalis ( Reaktor Biomassa)

2.9.1 Aktivasi Arang Arang yang telah bersih ditumbuk dengan mortar sehingga diperoleh  butiran-butiran, kemudian

dilanjutkan

dengan

penggrindingan sehingga

didapatkan butiran-butiran halus dengan ukuran 100 mesh. Butiran arang ini direndam dalam larutan HF 1% selama 60 menit, kemudian disaring dan dicuci dengan aquades hingga pH netral, lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 130 oC selama 3 jam. Setelah kering arang kemudian direndam dengan HCL 1 M selama

24

jam. Kemudian disaring dan dicuci dengan aquades hingga pH

32

filtratnya netral. Selanjutnya dikeringkan pada suhu 130 oC selama 3 jam. Arang ini disebut Karbon aktif. 2.9.2 Pembuatan Katalis Cr-Karbon Karbon direndam dalam larutan Cr(NO3)3.H2O (0,1154 M) selama 24 jam, sambil diaduk menggunakan magnetic stirer. Kemudian disaring dan selanjutnya dikeringkan dengan pemanasan pada suhu 130oC selama 3 jam. Selanjutnya dikalsinasi pada suhu 550 oC selama 5 jam sambil dialiri gas N2, lalu didiamkan sampai katalis dingin. 2.9.3 Karakterisasi Katalis Karakterisasi katalis Cr-Karbon adalah; menentukan kandungan Cr dalam katalis CrKarbon, kandungan logam pengotor K, Na, keasaman katalis, luas permukaan, volume total pori dan jejari rata-rata pori. Penentuan kandungan logam ditentukan dengan menggunakan metode AAS di Laboratorium  permukaan,

jejari

Kimia pori

Analitik

UGM,

sedangkan untuk

luas

dilakukanmdengan alat serapan gas NOVA-1000

BATAN Yogyakarta. 2.4 Proses perengkahan katalitik Perengkahan dilakukan variasi kondisi reaksi

menggunakan desain

Box-Behnken (lihat Tabel 1.), kode -1 menunjukkan nilai bawah, kode 0 menunjukkan nilai tenggah, dan kode kondisi reaksi  perbandingan

1

menunjukkan

nilai

atas. Variasi

dilakukan terhadap temperature reaksi, waktu reaksi katalis:sampel. Sampel

CPO

disuntikan

ke

dan

pipa yang

dipanaskan pada furnace horizontal pada suhu 450oC. Furnace tempat reactor dipanaskan pada suhu (T) -1 = 350 oC, 0 = 400 oC, 450oC, variasi waktu (t), dan variasiperbandingan katalis dengan sampel (k/s), CHP yang dihasilkan ditampung pada penampung CHP, kemudian ditimbang. CHP sisa

(yang

 bercampur dengan katalis dan kokas yang terdapat di dalam reactor) dicuci dengan menggunakan THF. Penyaringan dilakukan untuk memisahkan antara katalis dan kokas yang berbentuk padat dengan CHP yang terlarut dengan THF.

33

CHP kemudian dipisahkan dari THF dan sisa CPO dengan cara destilasi. Sisa CPO, dan CHP yang didapat serta padatan yang berupa campuran katalis dan kokas kemudian ditimbang. Selanjutnya CHP dipisahkan lebih lanjut dengan cara destilasi dengan kategori range titik didih bahan bakar. 2.9.5 Analisa Gravimetri Berat produk perengkahan yaitu gas, ciaran hasil perengkahan (CHP), kokas, serta berat sisa CPO yang didapat dari proses perengkahan dianalisa secara

gravimetri.

Analisa

gravimetric dilakukan untuk menentukan persen

konversi masing-masing produk perengkahan, konversi total,presentase sisa CPO, Perhitungan untuk mencari presentase-presentase tersebut adalah:

2.9.6 Analisa GC-MS Analisa GC-MS (GC-MS merek Hitachi 263-50) dilakukan pada sampel CPO dan CHP yang dihasilkan oleh kondisi reaksi yang memberikan konversi bensin yang  paling besar.

34

Gambar 23. Rangkaian alat yang digunakan

2.10 Perengkahan CPO menjadi BBM Alat dan bahan yang digunakan

(a) Furnace, (b) Reactor Aouttoclave [1], (c) GC-MS GC-MS Shimadzu QP-5000 (d) Oven, (e) Pompa Vakum, (f) Desikator, (g) Timbangan listrik (digital), (h) Peralatan gelas, (i) THF, (j) Aquadest. Proses perengkahan katalitik

Sampel CPO sebanyak 10 gram dimasukkan ke reaktor [1] kemudian katalis dimasukkan ke dalam reactor. Rasio antara CPO katalis divariasikan, dengan variasi CPO:katalis sebagai berikut: 10:1. Reaktor yang telah berisi CPO dan katalis dipanaskan pada furnace pada suhu 500oC. Hasil perengkahan dianalisa dengan spektrometer IR dan GC-MS. Kondisi operasi analisa GC-MS adalah: a. Panjang kolom 30 m 3

35

 b. suhu kolom 60-280 oC dengan kenaikan 5 oC /menit c. suhu injektor adalah 280 oC, split 1:60. d. Gas pembawa yang digunakan adalah gas helium dengan tekanan 10 Kpa. Hasil analisa GC-MS menunjukkan bahwa sampel CPO terdiri dari asam lemak C12(1,65%), C14(1,9%), C16(39,45%), C18:1(52,83%), C18 (4,17%). Analisa GCMS pada hasil perengkahan menunjukkan terbentuknya biofuel terlihat pada puncak 17,025 menit yang menunjukkan Heksadekana (C14) dan puncak 26,97 menit yang menunjukkan oktadekana (C18). Sampel CPO terdiri dari asam lemak C12 (1,65%), C14(1,9%), C16(39,45%),C18:1(52,83%), C18(4,17%). Dengan

proses

perengkahan

menggunakan katalis Crzeolit alam, CPO dapat diubah menjadi Biofuel yakni senyawa hidrokarbon Heksadekana (C14)dan oktadekana (C18).

BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan

Reaktor memiliki berbagai macam jenis dan dapat diklasifikasikan  berdasarkan beberapa katagori. Dalam merancang suatu reaktor diperlukan ketelitian dan pertimbangan yang sangat matang karena desain suat u reaktor dapat menentukan keseluruhan rangkaian proses secara ekonomis. 3.2 Saran

Semoga dengan adanya makalah tentang reactor ini dapat menambah wawasan pembaca dan dapat mengetahui tentang reactor, cara pemilahan reactor,  prinsip-prinsip reactor,serta makalah ini dapat berguna untuk kedepannya. Penulis menyadari banyak kekurangan dalam makalah ini, untuk itu kritik dan saran dari pembaca sangat di harapkan.

36