Makalah TRK 1 - Dehidrasi Butanol Menggunakan Katalis Campuran Sial, Tungstated-zirconia, Niobic Acid, Dan Niobium Phosphate - Kelompok 5 Kelas Trk 01

MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA 1 DEHIDRASI BUTANOL MENGGUNAKAN KATALIS CAMPURAN SiAl, TUNGSTATED-ZIRCONIA , NIOBIC ACID ,

DAN NIOBIUM PHOSPHATE

Kelompok 5 Aulia Rahmi Harianti

(1306370631) (1306370631)

Julianto

(1306370682)

Rayhan Hafidz I.

(1306409362) (1306409362)

Yukti Nurani

(1306370480) (1306370480)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, NOVEMBER 2015

DEHIDRASI BUTANOL MENGGUNAKAN KATALIS CAMPURAN SiAl, TUNGSTATED-ZIRCONIA , NIOBIC ACID,


KATA PENGANTAR Puji dan syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-Nya kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan tepat waktu. Makalah Teknik Reaksi Kimia 1 berjudul Dehidrasi Butanol Menggunakan Katalis Campuran SiAl, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid, dan Niobium Phosphate ini merupakan tugas open-ended problem mata problem mata kuliah Teknik Reaksi Kimia 1 pada semester 5 ini. Dalam penyelesaian makalah ini, kami mendapatkan banyak bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu, sudah selayaknya kami mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Slamet, M.T. yang telah memberikan kesempatan kepada kami untuk menyelesaikan makalah ini, dan juga telah membimbing kami. 2. Semua pihak yang telah membantu, baik secara langsung maupun tidak langsung, yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Karena itu, kami berharap agar mendapatkan kritik dan saran yang positif, dengan harapan makalah ini dapat menjadi lebih baik lagi, serta berguna di masa yang akan datang. Pada akhirnya, kami berharap agar makalah ini untuk dapat menjadi salah satu sumber referensi ilmiah yang bermanfaat besar. Akhir kata, kami ucapkan terima kasih.

Depok, 28 November 2015

Tim Penyusun

2

Teknik Reaksi Kimia 1 - 2015

Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia



Daftar Isi

KATA PENGANTAR ………………………………………………………………………………………

2

DAFTAR ISI ………………………………………………………………………………………………….

3

ABSTRAK ……………………………………………………………………………………………………..

4

BAB I: PENDAHULUAN …………………………………………………………………………………

5

I.1. Profil Butanol ………………………………………………………………………………..

5

I.2. Profil Butena …………………………………………………………………………………..

6

BAB II: MEKANISME REAKSI DEHIDRASI BUTANOL ……………………………………..

7

DAN PENENTUAN PERSAMAAN LAJU REAKSI II.1. Mekanisme Reaksi ………………………………………………………………………….

7

II.2. Reaksi Permukaan Sebagai Tahap Penentu Laju ……………………….........

8

II.3. Adsorpsi Sebagai Tahap Penentu Laju …………………………………………….

14

II.4. Desorpsi Permukaan Sebagai Tahap Penentu Laju …………………………..

18

BAB III: KATALIS YANG DIGUNAKAN DAN SET UP REAKTOR ……………………….

22

BAB IV: KESIMPULAN ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………….. …..

23

DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………..

24

3





ABSTRAK

Butena merupakan bahan baku yang banyak dibutuhkan dalam industri petrokimia. Butena dapat dibuat dengan melalui berbagai macam proses, diantaranya melalui proses dehidrasi butanol dengan menggunakan katalis. Reaksi dehidrasi adalah reaksi pelepasan air dari molekul yang bereaksi. Dengan hilangnya molekul air pada butanol, maka akan menghasilkan produk berupa butena dan molekul air. Untuk mempercepat terjadinya proses tersebut, dilakukanlah proses modifikasi perlakuan proses. Pada proses dehidrasi dehidrasi butanol menjadi butena ini, untuk mempercepat mempercepat laju dari reaksi digunakanlah suatu campuran katalis silica alumina (SiAl), Tungstated-Zirconia, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid , dan Niobium Phosphtae yang dibentuk menjadi suatu pellet. Proses modifikasi ini akan menghasilkan mekanisme proses yang berbeda dengan yang biasa. Dalam berlangsungnya proses ini, suhu yang diharapkan agar reaksi berlangsung secara maksimal sebesar 513 K dan tekanan 52 bar dengan menggunakan gas inert He atau H2 dengan laju alir 200-215 cm 3/min untuk mengontrol laju alir feed dan sebagai pengatur konsentrasi pada feed serta dengan volume cairan pada proses yang tetap.

Kata kunci : dehidrasi, butanol, butena, katalis, reaksi, mekanisme, TPL

4





BAB I PENDAHULUAN Butena mempunyai berbagai peran dalam industri produk kimia, sebagai contoh dalam produksi kertas dan aspal. Butena dapat dihasilkan dari dehidrasi nbutanol dengan katalis campuran SiAl, Tungstated-Zirconia, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid , dan dan Niobium Phosphate pada kondisi operasi tertentu. Mekanisme reaksi dehidrasi butanol dengan katalis dapat berbentuk bermacam-macam, baik adsorbsi, reaksi permukaan, maupun desorpsi. Untuk mengetahui teknik penentu laju yang tepat diperlukan mekanisme reaksi yang tepat sehingga didapatkan parameter yang tepat untuk melakukan reaksi pada kondisi yang optimum. Pembahasan ini berdasarkan jurnal Dehydration of Butanol to Butene Over Solid Acid Catalysts in High Water Environement (Ryan Environement (Ryan M. West, Drew, J Barden, James A. Dumesic).

I.1. Profil Butanol n-Butanol merupakan salah satu alkohol, memiliki 4 atom karbon dengan rumus kimia C4H9OH. N-Butanol dapat diperoleh dari proses fermentasi biomassa dengan bakteri Clostridium Acetobutylicum. Acetobutylicum . n-Butanol dapat digunakan untuk solvent, intermediate intermediate pada proses sintesis kimia, dan bahan bakar. Karakterisitik n-butanol dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Karakteristik n-Butanol Karakteristik

Nilai

Rumus molekul C4H9OH /C4H10O

5

Berat molekul

74.12 g·mol −1

Warna

Tidak berwarna

Titik didih

117.7 °C (243.9 °F; 390.8 K)

Titik lebur

-89.8 °C (129.6 °F; 183.3 K)

Specific Gravity

0.81 (Air = 1)





Tekanan Uap

6 mmHg (T = 20°C)

Densitas

0.81 g cm−3

Viskositas

2.573 mPa.s (T=25 °C)

Dehidrasi butanol dengan katalis campuran SiAl, Tungstated-Zirconia, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid , dan dan Niobium Phosphate menghasilkan butena dan air dengan reaksi sebagai berikut. C4H10O

C4H8 + H2O

I.2. Profil Butena Butena merupakan alkena dengan rumus C 4H8 yang tidak berwarna . Butena digunakan pada pembuatan beberapa produk kimia seperti : linear low-density polyethylene polyethylene (LLDPE), polypropylene resins, polybutene, butylene oxide , methyl ethyl ketone (mek), dan dengan dengan cooligomerisasi dari 1-butena dan 2-butena dapat memproduksi kertas dan aspal. Karakterisik butena dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Karakteristik Butena Karakteristik

Nilai

Rumus molekul C4H8

6

Berat molekul

56.11 g·mol −1

Warna

Tidak berwarna

Titik didih

−6.47 °C (20.35 °F; 266.68 K)

Titik lebur

−185.3 °C (301.5 °F; 87.8 K)

Specific Gravity

0.577 (T = 25 C) (Air= 1)

Tekanan Uap

3480 mmHg (T= 21 C)

Densitas

2.3655 kg/m3 (T= 25 C)

Viskositas

7.76 Pa





BAB II MEKANISME REAKSI DEHIDRASI BUTANOL DAN PENENTUAN PERSAMAAN LAJU REAKSI Katalis campuran SiAl, Tungstated-Zirconia, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid , dan Niobium dan Niobium Phosphate dibentuk menjadi pellet, dicampur dengan tumbukan silika dan dipacking dengan quartz wool end-plugs, end-plugs, dengan kondisi operasi berupa 0.1 mL/min (10%wt 2-butanol dalam air) pada suhu 513 K dan tekanan 52 bar, volume cairan tetap, serta dialirkan gas inert He 200-215 cm 2/min. Dehidrasi n-butanol dengan katalis ini direaksikan di dalam reaktor dengan karakterteristik berupa reaktor tubuler dari stainless steel, pada reaktor terdapat catalyst bed yang dialiri gas inert (He atau H 2), gas inert berfungsi sebagai pengontrol laju alir feed alir feed dan dan sebagai pengatur konsentrasi pada feed .,., aliran feed aliran feed adalah adalah larutan 10% berat 2-butanol dalam air, dan keluaran reaktor langsung terhubung dengan gc ( gas chromatography ). ).

II.1. Mekanisme Reaksi Ada tiga tahap reaksi zat dengan katalis yaitu absorpsi, reaksi permukaan, dan desorpsi. Oleh karena itu, penentuan teknik penentu laju dibandingkan dengan tiga reaksi tersebut, dengan parameter yang paling baik yang diambil. Ada beberapa kriteria yang akan dilakukan yaitu : 1) menentukan mekanisme reaksi pada reaksi dehidrasi butanol, 2) menentukan tahap penentu laju pada reaksi dehidrasi butanol, 3) menentukan

persamaan

laju

reaksi

pada

reaksi

dehidrasi

butanol

dan

memverifikasinya, dan 4) mengevaluasi parameter pada persamaan laju reaksi dehidrasi butanol. Reaksi dehidrasi butanol di atas disederhanakan dengan menggunakan permisalan sebagai berikut. n-Butanol A

Butene + Air B

+ C

Mekanisme reaksi untuk dehidrasi butanol diuraikan menjadi tahapan sebagai berikut.

7





Reaksi Adsorpsi A+S

A.S

Reaksi Surface A.S + S

B.S + C.S

Reaksi Desorpsi B.S

B+S

C.S

C+S

Tiap-tiap tahap reaksi di atas akan ditentukan persamaan laju reaksi sebagai berikut. Reaksi Adsorpsi A+S

AS

rAA = KAA(PACV-CAS/KAA)

Reaksi Reaksi Permukaan AS + S

BS + CS

rS = KS(CASCV-CBSCCS/KC)

Reaksi Desorpsi BS

B+S

rDC = KDB(CBS-PBCV/KDB)

CS

C+S

rDC = KDC(CCS-PCCV/KDC)

Dengan : KAA = konstanta laju reaksi adsorpsi A (butanol) Ks

= konstanta laju reaksi surface

KDB = konstanta laju reaksi desorpsi B (butena) KD

= konstanta laju reaksi desorpsi C (air) Berikut akan diuraikan pemilihan teknik penentu laju berdasarkan tiga tahapan

reaksi di atas.

II. 2. Reaksi Permukaan Sebagai Tahap Penentu Laju Reaksi permukaan menggunakan metode initial rate rate sehingga produk belum terbentuk sehingga laju reaksi balik = 0.

8

-rAA = 0

CAS = PA.KAA.CV

-rDB = 0

CBS = PB.CV/KDB




-rDC = 0


CCS = PC.CV/KDC

     

Dengan :

Neraca active site untuk reaksi permukaan sebagai berikut.

CT = CV + CAS + CBS + CCS

                                                              CT = CV (1 + PAKAA + PBKAB + PCKAC)

Dengan mengetahui nilai per tahap sebelumnya , disubtitusikan ke persamaan

laju reaksi metode initial rate dengan fungsi P dan K, dan kemudian

yang

mengandung parameter A, B, dan C, menjadi sebagai berikut.

Dengan

persamaan

laju

reaksi

dapat

,

dilanjutkan

dengan

disederhanakan menjadi sebagai berikut.

Setelah

mendapatkan

persamaan

laju

reaksi

menverifikasinya dengan literatur (red : jurnal Dehydration of Butanol to Butene Over Solid Acid Catalysts in High Water Environement (Ryan (Ryan M. West, Drew, J Barden, James A.

Dumesic).).

9

                   





 (   )                        (          (  )                      

Persamaan laju reaksi

dari jurnal Dehydration of Butanol to Butene Over Solid

Acid Catalysts in High Water Environement (Ryan M. West, Drew, J Barden, James A. Dumesic). sudah sesuai yaitu sebagai berikut.

Setelah diverifikasi, selanjutnya yaitu menganalisis persamaan laju reaksi tersebut. Berdasarkan persamaan laju yang didapatkan terlihat bahwa : 1) pada reaksi permukaan terjadi dual site surface reaction ditandai dengan kuadrat penyebut , 2) terjadi adsorpsi terhadap butanol ditandai dengan adanya butanol sebagai reaktan di penyebut, dan 3) terjadi desorpsi pada butena dan air sebagai produk ditandai adanya butena dan air sebagai produk di pembilang dan penyebut. Selanjutnya, mengevaluasi parameter. Karena persaman laju reaksi tidak linerarsehingga harus dilinearisasi. Untuk memudahkan linearisasi digunakan metode

                       

initial rate, rate, dimana laju reaksi balik dianggap nol.

KsKAACT2 dianggap = k, persamaan menjadikan fungsi

  dan

untuk

menda[atkan variabel dependen dan independen, seperti data yang diketahui dari tesis

               

yang ditulis oleh J.F. Maurer, Ph.D dari University of Michigan, sebagai berikut.

10




√ 


       

Dari persamaan linear di atas, didapatkan

sebagai axix dan sebagai basis

. Data didapatkan dalam Tabel 3 yang merupakan interprestasi dari grafik.

Gambar 1. Grafik P A terhadap rA dehidrasi butanol dengan katalis campuran SiAl, Si Al, Tungstated-Zirconia, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid , dan Niobium dan Niobium Phosphate. (Sumber : J.F. Maurer, Ph.D. thesis, University of Michigan)

Tabel 3. Data P A terhadap r A dehidrasi butanol dengan katalis campuran SiAl, Tungstated-Zirconia, Tungstated-Zirconia, Niobic Acid , dan Niobium dan Niobium Phosphate

11

-r’

P AO

[P AO/(/(-r’)] r’)]0.5

0

0

-

0.275

4.5

4.05

0.5

27

6.45

0.77

54

8.14

0.77

112

12.06




0.5


229

21.4

Dengan menggunakan Polymath, dengan metode regresi linear, grafik dan hasil parameter dapat dicari. Berikut hasil dari polymath disajikan polymath disajikan dalam bentuk gambar.

Gambar 2. Data yang akan diregresi diregresi

Gambar 3. Grafik P A terhadap

12


√ 

pada TPL reaksi permukaan




Gambar 4. Parameter dari hasil regresi pada TPL reaksi permukaan

Dengan a0 sebagai gradien dan a1 sebagai intercept didapatkan persaman lengakp laju reaksi linearisasi sebagai berikut.

                  

Sehingga didapatkan

dan

. Kemudian nilai

tersebut disubtitusikan ke persamaan laju reaksi awal.

13





           II. 3. Adsorpsi Sebagai Tahap Penentu Laju 

Reaksi Adsorpsi



Reaksi Permukaan



Reaksi Desorpsi

                                          

Tahap Penentu Laju (TPL) adalah Reaksi Adsorpsi

           

14




Neraca Active Site


                                                                 (     )              

Subtitusi Neraca Active Site dengan persamaan TPL

                       

15





   (   )         (  ) Metode initial rate (laju reaksi balik dianggap 0)

        (  )       

Dengan menggunakan Polymath, dengan metode regresi linear, grafik dan hasil parameter dapat dicari. Data yang digunakan adalah data tabel 3. Berikut hasil dari polymath disajikan polymath disajikan dalam bentuk gambar.

Gambar 5. Data yang akan diregresi diregresi

16





Gambar 6. Parameter dari hasil regresi pada TPL adsorpsi

Gambar 7. Grafik P A terhadap

√ 

TPL adsorpsi

Berdasarkan Berdasarkan hasil regresi, TPL berikut tidak akurat dikarenakan

17



Nilai R2 yang sangat kecil (jauh dari 1)



Nilai 95% confidence pada a 0 dan a 1 melebihi nilai a 0 dan a 1 itu sendiri





                                                        (   )      (  )      (  )  

II. 4. Desorpsi Sebagai Tahap Penentu Laju

Mekanisme Reaksi

Penurunan laju setiap Reaksi



Mengasumsi Bahwa TPL ada laju Desorpsi B

Mencari

18

   





                                                                                    

Subtitusi

Mencari

dengan persamaan active site

Subtitusi Persamaan

19

              (    ) 





                     

Metode diatas tidak dapat diregresi karena pada saat menggunakan metode Initial rates (sesuai data yang didapatkan) belum terbentuk komponen B dan C, sedangkan pada semua komponen penyebut memiliki nilai 0 disemua suku, sehingga persamaan diatas bukan TPL yang tepat



Mengasumsi Bahwa TPL ada laju Desorpsi C

Mencari

   (   )      (  )      (  )                                                         

Subtitusi

Mencari

20

dengan persamaan active site




Subtitusi Persamaan


                                                   (    )                       

Metode diatas tidak dapat diregresi karena pada saat menggunakan metode Initial rates (sesuai data yang didapatkan) belum terbentuk komponen B dan C, sedangkan pada semua komponen penyebut memiliki nilai 0 disemua suku, sehingga persamaan diatas bukan TPL yang tepat

21





BAB III KATALIS YANG DIGUNAKAN DAN SET UP REAKTOR Katalis yang digunakan dibuat dalam bentuk catalyst bed di dalam reaktor. Catalyst bed

yang terdapat dalam reaktor merupakan campuran dari SiAl,

Tungstenstated-zirconia,, MgO zirconia Tungstenstated-zirconia MgO zirconia,, Niobic acid , dan Niobic phosphate yang dibentuk menjadi pellet. Catalyst bed dibuat dengan mencampurkan pellet dari katalis-katalis tersebut dengan silika yang telah ditumbuk dan di- packdi- pack-ing ing dengan quartz wool end plugs. plugs. Reaktor yang digunakan adalah reaktor tubuler yang terbuat dari stainless steel . Terdapat dua aliran masuk ke reaktor, yaitu aliran feed dan aliran gas inert berupa He atau H2. Aliran feed adalah aliran yang akan dianalisis dan aliran gas inert berfungsi sebagai pengontrol laju alir feed dan sebagai pengatur konsentrasi air pada feed . Laju alir dan konsentrasi air pada feed sangat berpengaruh terhadap laju reaksi dehidrasi alkohol tersebut. Aliran keluar reaktor langsung terhubung dengan GC ( Gas Chromatography ) yang berguna untuk menganalisis keluaran reaktor tubuler. Reaktor dioperasikan pada temperatur dan tekanan tetap. Temperatur operasi reaktor adalah 513 K dan tekanan operasi reaktor adalah 52 atm.

22





BAB IV KESIMPULAN Kesimpulan yang didapatkan dari pembahasan dehidrasi butanol ini adalah: 

Reaktor yang digunakan tipe tubular yang terbuat dari stainless steel.



Reaktor dioperasikan pada temperatur dan tekanan tetap, dengan temperatur operasi reaktor adalah 513 K dan tekanan operasi reaktor adalah 52 atm.



Katalis yang digunakan adalah campuran dari SiAl, Tungstenstated-zirconia Tungstenstated-zirconia,, MgO- zirconia, zirconia, Niobic acid , dan Niobic phosphate yang phosphate yang dibentuk menjadi pellet.



Mekanisme reaksi yang terjadi terdiri dari satua dsorpsi, surface reaction and reaction and desorpsi.

23



TPL pada mekanisme ini ialah surface reaction.



Persamaan laju yang didapatkan:



Persamaan laju menggunakan metode initial rate:

    (          (  )                                





DAFTAR PUSTAKA

Foggler, Scott. 2006. Elements of Chemical Reaction Engineering, 4 th edition. edition. New York: Pearson Education, Inc. Levenspiel, Octave. 1999. Chemical Reaction Engineering, 3 rd edition. edition. New York: John Wiley & Sons, Inc. Davis, Rovert E. , Davis, Robert J. . 2003. Fundamental of Chemical Reaction Engineering . New York: The McGraw-Hill Companies, Inc. West, Ryan M. , Braden, Drew J. , Dumesic, James A. 2009. Dehydration of butanol to butane over solid acid catalyst in high water environtments . Journal of Cataysis 262 (2009) 134-143. (Available at ScienceDirect).

24



Makalah TRK 1 - Dehidrasi Butanol Menggunakan Katalis Campuran Sial, Tungstated-zirconia, Niobic Acid, Dan Niobium Phosphate - Kelompok 5 Kelas Trk 01

Recommend Documents