Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB oleh Kusmiyati, S.T., M.T., Ph.D. Hak Cipta © 2014 pada penulis GRAHA ILMU Ruko Jambusari 7A Yogyakarta 55283 Telp: 0274-889398; 0274-882262; Fax: 0274-889057 E-mail:
[email protected] Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit. ISBN: 978-602-262-266-6 Cetakan ke I, tahun 2014
KATA PENGANTAR
S
egala puji hanya untuk Allah SWT karena atas berkat rahmat dan karunia-Nyalah sehingga penulis dapat menyelesaikan buku dengan judul Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB. Namun kiranya sebagai manusia biasa yang tak luput dari kesalahan, kami menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam buku ini sehingga kritik dan saran membangun dari semua pihak sangat kami harapkan.Tak lupa kami mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan berpartisipasi atas terselesaikannya buku ini. Buku ini berisi tentang permasalahan mendasar dalam teknik kimia yaitu kinetika reaksi dan reaktor. Kinetika reaksi tersendiri merupakan hal tak terpisahkan dalam perancangan reaktor. Dalam kinetika reaksi dipelajari tentang bagaimana memperoleh nilai konstata laju reaksi dan pengaruhnya terhadap suhu. Penentuan orde reaksi dan akhirnya diperoleh persamaan laju reaksinya. Selain itu, ada pula penjelasan singkat tentang katalis terutama katalis padat. Inti dari buku ini adalah pembaca dapat memahami langkah dan persamaan yang digunakan dalam perancangan reaktor kimia yaitu Reaktor Batch, Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), Plug-Flow Reactor (PFR), dan Fixed-Bed Reactor (FBR) pada berbagai kondisi operasi. Buku ini menekankan pada contoh soal dan penyelesaiannya untuk berbagai persoalan dalam teknik kimia terutama reaktor. Juga aplikasi program open source “Scilab” untuk menyelesaikan persoalan-persoalan reaktor kimia. Program ini dapat didownload di https://www.scilab.org secara gratis sehingga tidak memberatkan bagi pembaca. Dengan langkah-langkah atau algoritma penyelesaian beserta program Scilab-nya penulis berharap dapat memberikan kemudahan dalam memahami dan menerapkan ilmu teknik kimia dalam perancangan sebuah reaktor. Untuk melengkapi buku ini, reaksi dan reaktor khusus seperti reaksi enzimatis dan bioreaktor (fermentor) dibahas di dalamnya. Reaksi enzimatis sendiri dapat dikatakan reaksi katalitis dengan enzim sebagai katalisnya. Reaksi ini dipengaruhi banyak faktor antara lain suhu, pH dan inhibitor. Begitu
vi
Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB
pentingnya reaksi ini terutama dalam dunia farmasi, makanan dan minuman seperti antibiotik, sirup jagung, aneka makanan dan minuman terfermentasi. Untuk itulah penulis sedikit membahas tentang bab ini. Pada akhirnya penulis berharap buku ini mampu memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Surakarta, 02 Oktober 2014
Penyusun
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR
v
DAFTAR ISI
viii
PENDAHULUAN
xiii
BAB 1.KINETIKA REAKSI KIMIA
1
1.1. LAJU REAKSI
1
1.1.1. Definisi
1
1.1.2. Persamaan Laju Reaksi
2
1.1.3. Konstata Laju Reaksi dan Orde Reaksi
2
1.1.4. Laju Reaksi untuk Reaksi Reversible
6
1.1.5. Beberapa Contoh Persamaan Laju Reaksi
8
1.2. LAJU REAKSI SEBAGAI FUNGSI KONVERSI
9
1.2.1. Stoikiometri
9
1.2.2. Stoikiometri Sistem Batch
10
1.2.2.1. Sistem Batch Volume Konstan
11
1.2.2.2. Sistem Batch Volume Berubah
12
1.2.3. Stoikiometri Sistem Kontinyu 1.2.3.1. Sistem Kontinyu dengan Variabel Laju Alir
12 14
1.3. KESIMPULAN DAN RINGKASAN
19
1.4. SOAL LATIHAN
23
BAB 2. REAKSI KIMIA DAN KATALIS 2.1. DEFINISI
25 25
viii
Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB
2.2. KLASIFIKASI REAKSI KIMIA
26
2.3. KATALIS
29
2.3.1. Reaksi Katalitik Homogen
29
2.3.2. Reaksi Katalitik Heterogen
32
2.4. REAKTOR
36
2.4.1. Reaktor Batch
36
2.4.1.1. Neraca Massa Reaktor Batch
37
2.4.1.2. Laju Produksi Reaktor Batch
37
2.4.1.3. Neraca Energi Reaktor Batch
38
2.4.1.3.1. Reaktor Batch Kondisi Isotermal
38
2.4.1.3.2. Reaktor Batch Kondisi Non-Isotermal
38
2.4.1.3.2.1. Non-Isotermal Adiabatis
38
2.4.1.3.2.2. Non-Isotermal Non-Adiabatis
39
2.4.2. Continuous Stirred Tank Reaktor (CSTR)
39
2.4.2.1. Neraca Massa CSTR
39
2.4.2.2. Neraca Energi CSTR
41
2.4.2.2.1. Kondisi Isotermal
42
2.4.2.2.2. Kondisi Non-Isotermal
42
2.4.2.2.2.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis
42
2.4.2.2.2.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis
42
2.4.3. Plug-Flow Reactor (PFR)
43
2.4.3.1. Neraca Massa PFR
43
2.4.3.2. Pressure-Drop Dalam PFR
45
2.4.3.3. Neraca Energi PFR
46
2.4.3.3.1. Kondisi Isotermal
46
2.4.3.3.2. Kondisi Non-Isotermal
46
2.4.3.3.2.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis
47
2.4.3.3.2.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis
47
2.4.4. Packed-Bed Reactor (PBR)
48
2.4.4.1. Neraca Massa PBR
48
2.4.4.2. Pressure-Drop Dalam PBR
48
2.4.4.3. Neraca Energi PBR
50
2.4.4.3.1. Kondisi Isotermal
50
2.4.4.3.2. Kondisi Non-Isotermal
51
Daftar Isi
ix
2.4.4.3.2.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis
51
2.4.4.3.2.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis
51
2.5. KESIMPULAN DAN RINGKASAN
52
2.6. SOAL LATIHAN
57
BAB 3. REAKTOR BATCH
59
3.1. KARAKTERISTIK
59
3.1.1. Kondisi Umum
59
3.1.2. Sistem Batch dan Sistem Kontinyu
59
3.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR
61
3.3. REAKTOR BATCH ISOTERMAL
62
3.4. REAKTOR BATCH NON-ISOTERMAL
65
3.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis
65
3.4.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis
68
3.5. OPTIMASI KINERJA REAKTOR BATCH
71
3.6. REAKTOR SEMIBATCH
72
3.7. KESIMPULAN DAN RINGKASAN
76
3.8. SOAL LATIHAN
78
BAB 4. CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR (CSTR) 4.1. KARAKTERISTIK
81 81
4.1.1. Kondisi Umum
81
4.1.2. Kelebihan Dan Kekurangan
81
4.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR
82
4.3. REAKTOR CSTR ISOTERMAL
83
4.4. REAKTOR CSTR NON-ISOTERMAL
88
4.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis
88
4.4.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis
91
4.5. UNSTEDY-STATE CSTR (STAR-UP)
93
4.6. REAKSI MULTIPLE DALAM CSTR
94
4.6.1. Kondisi Isotermal
94
4.6.2. Kondisi Non-Isotermal
98
4.7. KESIMPULAN DAN RINGKASAN
101
4.8. SOAL LATIHAN
103
BAB 5. PLUG-FLOW REACTOR (PFR) 5.1. KARAKTERISTIK
107 107
x
Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB
5.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR
108
5.3. REAKTOR PFR ISOTERMAL
110
5.3.1. Isotermal Isobarik (ΔP=0)
110
5.3.2. Isotermal Non-Isobarik (ΔP≠0)
112
5.4. REAKTOR PFR NON-ISOTERMAL
116
5.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis
116
5.4.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis
121
5.4.2.1. Suhu Pemanas atau Pendingin Konstan
121
5.4.2.2. Suhu Pemanas atau Pendingin Bervariasi
124
5.5. MIKROREAKTOR DAN REAKTOR MEMBRAN
128
5.5.1. Mikroreaktor
128
5.5.2. Reaktor Membran
133
5.6. MULTIPLE REAKSI DALAM PFR
139
5.6.1. Kondisi Isotermal
139
5.6.2. Kondisi Non-Isotermal
148
5.7. KESIMPULAN DAN RINGKASAN
152
5.8. SOAL LATIHAN
152
BAB 6. PACKED-BED REACTOR (PBR)
155
6.1. KARAKTERISTIK
155
6.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR
155
6.3. REAKTOR PBR ISOTERMAL
158
6.3.1. Isotermal Isobarik (ΔP=0)
158
6.3.2. Isotermal Non-Isobarik (ΔP≠0)
160
6.4. REAKTOR PFR NON-ISOTERMAL
167
6.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis Isobarik (ΔP=0)
167
6.4.2. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis Non-Isobarik (ΔP≠0)
171
6.4.3. PBR Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis Isobarik (ΔP=0)
175
6.4.4. PBR Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis Non-Isobarik (ΔP≠0)
182
6.5. KESIMPULAN DAN RINGKASAN
186
6.6. SOAL LATIHAN
186
BAB 7. BIOREAKSI DAN BIOREAKTOR
191
7.1. REAKSI ENZIMATIS
191
7.2. BIOREAKTOR (FERMENTOR)
197
