BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. REAKTOR BATCH
Neraca bahan pada reaktor secara simultan
output
input reaktan bereaksi
akumulasi
GambarII. 1 Bagan Neraca Massa Suatu Sistem
input = 0
output = 0
Reaktan yang bereaksi = (-rA)
Input = output + reaktan yang bereaksi + akumulasi
0 = 0 + v (-rA) +
(1)
0 = Vi (-rA) +
(2)
0 = Vi (-rA)
(3)
dt =
(4)
t = NAo
(5)
Pada volume konstan
CA = CAo (1-XA)
dCA = -CAo.dXA (6)
Pers. (6) masuk ke pers. (5) diperoleh
t = CAo
= -
(7)
II.2. REAKTOR IDEAL ALIRAN KONTINYU / REAKTOR ALIR TANGKI
BERPENGADUK (CSTR)
Tahapan yang terjadi pada reactor CSTR ini terbagi dalam 3 tahap proses, yaitu :
a. Tahap Pertama
Tahap pertama dimulai saat t = 0 sampai terjadi overflow
Dari hukum kekekalan massa
Reaktor
Akumulasi = input-output
= Fo 0 (8)
dV = Fo.dt , pada t = 0 V = 0
karena density laju alir dianggap konstan maka volumenya hanya merupakan fungsi dari
waktu.
V = Fo. T (9)
Sedangkan dari neraca komponen :
Akumulasi = input output laju konsumsi karena reaksi
= Fo. Co 0 V (-rA) (10)
Dalam hal ini :
V = volume bahan dalam reaktor (l)
C = kondentrasi molar reaktan dalam reaktor (mol/l)
Fo = laju alir reaktan masuk (l/ menit)
Co = konsentrasi molar reaktan dalam feed (mol/l)
t = waktu reaksi (menit)
-rA = kecepatan reaksi (mol/menit)
Reaksi yang terjadi =
A + B C + D
- rA = k CA CB , karena CA = CB maka
- rA = k CA2 = k C
2 (11)
Pers. (11) pers.(10)
= Fo. Co V.k.C
2
V
+ C
= Fo. Co V.k.C2 (12)
Pers. (9) pers. (12)
Fo.t.
+ C.Fo = Fo.Co F.t.k.C2 (13)
=
-
- k.C
2 (14)
Dengan menggunakan boundary condition pada t=0 , C = Co dan substitusi U = exp
[k maka pers.14 menjadi :
t2
+ t
- k.U. Co. t = 0 (15)
Pers. (15) diubah menjadi fungsi Bessel dengan substitusi z = t0,5
, menjadi :
z2.
+ z
- 4.k.Co.z
2.u = 0 (16)
Pers. (16) merupakan modifikasi pers.Bessel yang mempunyai bentuk umum sebagai
berikut:
x2.
+ x (a + 2bx
r)
+ [c + dx
2s b(1-a-r) x.r + b2.x2.r].y = 0 ...(17)
Dari pers.(5) didapatkan :
a = 1
r = 0
p =
= 0
b = 0 s = 0 p = 0
c = 0 d = -4.k.Co
= imajiner
Sehingga penyelesaian pers. (16) adalah :
U = C1. zp. ( ) + Cz. zp.( ) (18)
Pada t = 0, z = 0 zp = ~
Sehingga Cz = 0
U = C1. Zp ( )
Karena p = 0 dan = imaginer
Maka = U = C1. I0 ( )
=
C1. I0 ( ) (19)
Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan
= C1. ( ) I0 ( ) (20)
Dari substitusi semula, diperoleh :
= 2.k. Cz. C1. I0 ( ) (21)
Maka pers. (14) dan (15) diperoleh :
C1. ( ) I0 ( ) =k. C. C1. I0 ( )
C =
C =
(22)
b. Tahap Kedua
Pada tahap ini proses berjalan kontinyu, namun belum tercapai kondisi steady state.
Dapat dinyatakan dengan :
C = f(t) dan V= konstan = 0
Dari neraca massa komponen diperoleh :
= F.Co F.C k.V.C2 (23)
V
- C
= F.Co F.C - k.V.C2 (24)
Apabila T = t waktu, menit
=
konstanta waktu
Pers. (24) menjadi
=
-
k. C
2 (25)
Pada keadaan steady state C = Co
Penyelesaian partikular pers. (25) adalah C Cs, dimana Cs adalah konsentrasi pada
keadaan steady.
Substitusikan C = Cs +
Pers. (25) berubah menjadi pers.differential orde 1 yang mana dapat diselesaikan
dengan metode factor integrasi
C Co =
(26)
C1 adalah konsentrasi awal tiap tahap kedua yaitu pada saat t = yang diperoleh dengan
pengukuran konsentrasi contoh.
c. Tahap Ketiga
Pada tahap ini proses berjalan dalam keadaan steady state dan akumulasi = 0
Dari neraca komponen , diperoleh :
F Co = F.C + Vr (27)
F Co = F.C + V.k.Cs2 (28)
Co = Cs +
k. Cs
2 (29)
k. . Cs 2 + Cs Co = 0 (30)
Apabila k diketahui maka Cs dapat diprediksikan. Sebaliknya apabila Cs diukur maka
nilai k dapat dihitung. Pers. (30) merupakan persamaan aljabar biasa dan dapat
diselesaikan dengan mudah
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
III.1. BAHAN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN
III.1.1 Bahan Yang Digunakan
1. NaOH 0,1 N
2. Etil asetat 98% 0,1 N
3. HCl 25% 0,05 N
4. Indikator MO
5. Aquadest
III.1.2 Alat Yang Dipakai
1. Pipet
2. Pipet volume
3. Beaker glass
4. Reaktor Batch
5. Gelas Ukur
6. Buret
7. Statif dan Klem
8. Erlenmeyer
9. Rangkaian alat reaktor aliran kontinyu
BAB IV
HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN
IV.1 Hasil Percobaan
a. Batch
Tabel 4.1. Hasil Percobaan pada Reaktor Batch Variabel 1 (Perbandingan Volume 1:1)
t (menit) V HCl (ml) Ca k
0 3.5 0.035
1.195117 1 3.4 0.034
2 3.3 0.033
Tabel 4.2. Hasil Percobaan pada Reaktor Batch Variabel 2 (Perbandingan Volume 1:2)
t (menit) V HCl (ml) Ca k
0 3 0,03
4,1665 1 2,5 0,025
2 2,4 0,024
Tabel 4.3. Hasil Percobaan pada Reaktor Batch Variabel 3 (Perbandingan Volume 2:1)
t (menit) V HCl (ml) Ca K
0 6,2 0,062
0,67334 1 6 0,06
2 5,8 0,058
3 5,5 0,055
b. Kontinyu
Tabel 4.4. Hasil Percobaan pada Reaktor Kontinyu Variabel 1 (Perbandingan Volume 1:1)
t V titran Ca Ca model
0 3.3 0.033 0.033
1 3.2 0.032 0.034108
2 3.1 0.031 0.03457
3 2.9 0.029 0.034813
4 2.8 0.028 0.035251
5 2.8 0.028 0.035629
6 2.8 0.028 0.035788
Tabel 4.5. Hasil Percobaan pada Reaktor Kontinyu Variabel 2 (Perbandingan Volume 1:2)
t V titran Ca Ca model
0 3.1 0.031 0.031
1 2.9 0.029 0.027444
2 2.7 0.027 0.025027
3 2.7 0.027 0.023239
4 2.7 0.027 0.021199
Tabel 4.6. Hasil Percobaan pada Reaktor Kontinyu Variabel 3 (Perbandingan Volume 2:1)
t V titran Ca Ca model
0 5.7 0.057 0.057
1 5.2 0.052 0.060073
2 5.1 0.051 0.063077
3 5 0.05 0.064793
4 5 0.05 0.065904
5 5 0.05 0.066455
IV.2 Pembahasan
IV.2.2 Penentuan Orde Reaksi
Pada percobaan, reaksi yang terjadi adalah:
CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa + C2H5OH
Etil asetat Natrium Hidroksida Natrium Asetat Etanol
Nilai konstanta kecepatan reaksi k pada variable tanpa pengadukan dapat diperoleh dari
proses reaksi secara batch. Orde reaksi dapat dicari dengan persamaan:
-ra= k[CH3COOC2H5][NaOH]
-ra= k[Ca][Cb] dimana [Ca]=[Cb]
-ra = k[Ca]2
Orde 1 (-ln(Ca/Ca0)) = k.t
Orde 2 1/Ca = k.t + 1/Cao
Sehingga dapat diperoleh hasil R2 (regresi kuadrat) dari tiap-tiap variabel percobaan
sebagai berikut :
Tabel 4.7 Hubungan antara variabel percobaan terhadap R2
pada Orde 1 & Orde 2
No Variabel
Rasio NaOH:CH3COOH
R2
Orde 1 Orde 2
1 1:1 0.9999 0.9997
2 1:2 0.8582 0.8929
3 2:1 0.9816 0.9801
Dari data hasil percobaan trial yang terlihat pada tabel diatas. Pada kondisi reaksi
orde 1 didapatkan nilai regresi kuadrat 0.9999; 0.8582; 0.9816. Sedangkan pada kondisi
reaksi orde 2 didapatkan nilai regresi kuadrat 0.9997; 0.8929; 0.9801untuk variabel 1,2 dan
3. Berdasarkan data dari seluruh variabel dapat dilihat hasil yang menunjukkan nilai
regresi kuadrat yang mendekati 1 yaitu pada reaksi orde 2, sehingga pada variable tanpa
pengadukan merupakan reaksi dengan orde 2.
(Levenspiel, 1999. Chemical Reaction Engineering)
IV.2.3 Perbandingan volume reaktan terhadap nilai konstanta laju reaksi (k)
Berdasarkan hasil analisis dan perhitungan nilai konstanta kecepatan reaksi dari hasil
percobaan data batch didapatkan harga nilai konstanta kecepatan reaksi k.
Gambar 4.3 Grafik Hubungan rasio NaOH : CH3COOC2H5 dengan Konstanta Kecepatan
Reaksi
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Volume reaktan 1:1 Volume reaktan 1:2 Volume reaktan 2:1
k
Variabel
Variabel
Dari hasil percobaan yang terlihat pada gambar 4.3 terlihat bahwa semakin besar
reaktan yang ditambahkan akan membuat semakin besar nilai konstanta kecepatan reaksi..
Hal ini disebabkan pemakaian reaktan yang berlebih akan memperbesar frekuensi
tumbukan. Kecepatan reaksi sebanding dengan besarnya jumlah reaktan. Bila jumlah zat
pereaktan diperbesar, maka kecepatan reaksi akan meningkat. Jumlah molekul yang
bertumbukan akan bertambah, apabila zat pereaktan yang digunakan semakin murni,
sehingga mempercepat terjadinya reaksi. Pada variabel 2 dengan rasio NaOH :
CH3COOC2H5 = 1:2 konstanta kecepatan reaksinya sebesar 4,1665. Sementara untuk
variabel 3 dengan rasio NaOH : CH3COOC2H5 = 2:1 konstanta reaksinya sebesar 0,67334.
Hal ini disebakan karena semakin tinggi perbandingan reaktan akan diperoleh konversi
yang semakin besar untuk suhu yang sama. Hal ini dikarenakan pemakaian salah satu
reaktan yang berlebih akan memperbesar kemungkinan tumbukan antara molekul zat yang
bereaksi sehingga kecepatan reaksinya bertambah besar. Konstanta kecepatan reaksi
maksimum dicapai pada rasio NaOH : etil asetat = 1:2 .
(Said dkk, 2013)
IV.2.4 Perbandingan Ca model dengan Ca percobaan
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Ca model dengan Ca percobaan pada perbandingan volume
reaktan 1:1
0.025
0.027
0.029
0.031
0.033
0.035
0.037
0 1 2 3 4 5 6 7
Ca
Waktu (menit)
Ca Percobaan
Ca Model
Gambar 4.5 Grafik Perbandingan Ca model dengan Ca percobaan pada perbandingan volume
reaktan 1:2
Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Ca model dengan Ca percobaan pada perbandingan volume
reaktan 2:1
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0 1 2 3 4 5
Ca
Waktu (menit)
Ca Percobaan
Ca Model
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 1 2 3 4 5 6
K
Wakttu (menit)
Ca Percobaan
Ca Model
Berdasarkan grafik 4.4, 4.5, dan 4.6 , dapat dilihat bahwa secara keseluruhan grafik
yang dibentuk oleh Ca model lebih teratur daripada grafik yang dibentuk oleh Ca
percobaan. Hal ini dikarenakan Ca model yang diperoleh dari perhitungan matematis
menggunakan metode Runge Kutta. Dipilih metode ini karena Runge Kutta dianggap
metode yang memberikan keakuratan tinggi. Perhitungan model matematis ini tidak
dipengaruhi oleh variabel-variabel percobaan sehingga diperoleh Ca model yang
merupakan Ca ideal. Sedangkan Ca percobaan diperoleh dari percobaan dengan variabel
rasio reaktan sehingga keakuratannya lebih rendah dari Ca model. Ca model diperoleh dari
data hasil percobaan yang kemudian diaplikasikan ke dalam perhitungan teoritis metode
Runge Kutta
(Munir, 2003)
LEMBAR PERHITUNGAN
Perhitungan Orde Reaksi
NaOH sisa (Ca) =
Reaksi, NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH
A + B C + D
Persamaan Kecepatan Reaksi Order 1
; dimana Cb berlebih.
[
]
Persamaan Kecepatan Reaksi Order 2
; dimana Ca = Cb.
[
]
y = mx + C
1. Batch Variabel 1 (1:1)
t (x) V HCl Ca (-ln(Ca/Ca0))
(orde 1)
1/Ca
(orde2)
0 3.5 0.035 0 28.57142857
1 3.4 0.034 0.028987537 29.41176471
2 3.3 0.033 0.0588405 30.3030303
3 3.1 0.031 0.1213609 32.25806
Orde Reaksi 1
Orde Reaksi 2
y = 0.0293x R = 0.9999
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Variabel 1 (Orde 1)
Linear (Variabel 1(Orde 1))
t(menit)
-ln
(Ca/
Cao
)
y = 0.8658x + 28.563 R = 0.9997
28.4
28.6
28.8
29
29.2
29.4
29.6
29.8
30
30.2
30.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Variabel 1 (Orde 2)
Linear (Variabel 1(Orde 2))
t(menit)
1/C
a Cao = 0.035
2. Batch Variabel 2 (1:2)
t (x) V HCl Ca (-ln(Ca/Ca0))
(orde 1)
1/Ca
(orde 2)
0 3 0.03 0 33.33333333
1 2.5 0.025 0.182321557 40
2 2.4 0.024 0.223143551 41.66666667
Orde Reaksi 1
Orde Reaksi 2
y = 0.1257x R = 0.8582
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Variabel 2 (Orde 1)
Linear (Variabel 2(Orde 1))
t(menit)
-ln
(Ca/
Cao
)
y = 4.1667x + 34.167 R = 0.8929
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Variabel 2 (Orde 2)
Linear (Variabel 2(Orde 2))
t(menit)
1/C
a Cao = 0.03
3. Batch Variabel 3 (2:1)
t (x) V HCl Ca (-ln(Ca/Ca0))
(orde 1)
1/Ca
(orde 2)
0 6.2 0.062 0 16.12903226
1 6 0.06 0.032789823 16.66666667
2 5.8 0.058 0.066691374 17.24137931
3 5.5 0.055 0.1198012 18.18181818
Orde Reaksi 1
Orde Reaksi 2
Berdasarkan data dan grafik diatas didapatkan orde reaksi tiap variable merupakan reaksi
dengan orde 2, karena memiliki nilai R2 yang lebih mendekati 1.
y = 0.0375x R = 0.9816
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 1 2 3 4
Variabel 3 (Orde 1)
Linear (Variabel 3(Orde 1))
t(menit)
-ln
(Ca/
Cao
)
y = 0.6733x + 16.045 R = 0.9801
15.5
16
16.5
17
17.5
18
18.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Variabel 3 (Orde 2)
Linear (Variabel 3(Orde 2))
t(menit)
1/C
a Cao = 0.062
Perhitungan Harga k
1. Batch Variabel 1 (1:1)
t (x) V HCl Ca 1/Ca (y) xy x2
0 3,5 0,035 28,571 0 0
1 3,4 0,034 29,412 29,412 1
2 3,3 0,033 30,303 60,606 4
3 3,1 0,031 32,258 96,774 9
=6
=120,544 =186,792 =14
m =
=
= 1.195117
c =
=
= 28.3434
m= k = 1.195117
c =
Cao =
= 0,03528
2. Batch Variabel 2 (1:2)
t (x) V HCl Ca 1/Ca (y) xy x2
0 3 0,03 33,334 0 0
1 2,5 0,025 40 40 1
2 2,4 0,024 41,667 83,334 4
=3
=115,001 =123,334 =5
m =
=
= 4,1665
c =
=
= 34,1672
m= k = 4,1665
c =
Cao =
= 0,02927
3. Batch Variabel 3 (2:1)
t (x) V HCl Ca 1/Ca (y) xy x2
0 6,2 0,062 16,129 0 0
1 6 0,06 16,667 16,667 1
2 5,8 0,058 17,2414 34,4828 4
3 5,5 0,055 18,182 54,546 9
=6
=68,2194 =105,6958 =14
m =
=
= 0,67334
c =
=
= 16,0448
m= k = 0,67334
c =
Cao =
= 0,06232
Perhitungan persamaan Kontinyu
k1 = (-kCa2)t
Ca model = Ca model n-1 + Ca n-1
h = t
t = 1 menit
1. Kontinyu Variabel 1 (1:1)
k = 1.195117; Cao = 0,03528
t V titran Ca k1 k2 k3 k4 Ca Ca model
0 3.3 0.033 -0.0013 -0.004609 -0.00154 -0.001981526 -0.001431 0.033
1 3.2 0.032 -0.00122 -0.001416 -0.000853 -0.000687416 -0.000853 0.034108
2 3.1 0.031 -0.00115 -0.000836 -0.000773 -0.000605201 -0.000641 0.03457
3 2.9 0.029 -0.00101 -0.000968 -0.000991 -0.000834504 -0.000804 0.034813
4 2.8 0.028 -0.00094 -0.000816 -0.000917 -0.000794822 -0.000726 0.035251
5 2.8 0.028 -0.00094 -0.000503 -0.00068 -0.000591955 -0.000511 0.035629
6 2.8 0.028 -0.00094 -0.000287 -0.000509 -0.000442382 -0.000359 0.035788
2. Kontinyu Variabel 2 (1:2)
k = 4,1665; Cao = 0,02927
t V titran Ca k1 k2 k3 k4 Ca Ca model
0 3.1 0.031 -0.004 -0.00296 -0.00413 -0.00315 -0.00356 0.031
1 2.9 0.029 -0.0035 -0.00175 -0.00253 -0.00244 -0.00242 0.027444
2 2.7 0.027 -0.00304 -0.00119 -0.00176 -0.00179 -0.00179 0.025027
3 2.7 0.027 -0.00304 -0.00162 -0.00198 -0.002 -0.00204 0.023239
4 2.7 0.027 -0.00304 -0.00186 -0.00212 -0.00214 -0.00219 0.021199
3. Kontinyu Variabel 3 (2:1)
k =0,67334; Cao = 0,06232
t V titran Ca k1 k2 k3 k4 Ca Ca model
0 5.7 0.057 -0.00219 -0.010723 -0.0027 -0.004586 -0.003073 0.057
1 5.2 0.052 -0.00182 -0.005729 -0.002943 -0.002499 -0.003004 0.060073
2 5.1 0.051 -0.00175 -0.003187 -0.002028 -0.001614 -0.001715 0.063077
3 5 0.05 -0.00168 -0.002133 -0.001459 -0.001165 -0.001111 0.064793
4 5 0.05 -0.00168 -0.001298 -0.000866 -0.000665 -0.000552 0.065904
5 5 0.05 -0.00168 -0.000766 -0.000461 -0.000316 -0.000181 0.066455