Embed Size (px)
Citation preview
PENGARUH PENGADUKAN TERHADAP KONSTANTA REAKSI
PENYABUNAN ETIL ASETAT DENGAN NaOH PADA REAKTOR
IDEAL ALIRAN KONTINYU
Zaedir Syah Maulana, Siti Munfarida, Danu Purnawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang
Jl. Prof Soedharto – 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058
Abstrak
Reaktor tangki berpengaduk merupakan reaktor yang paling sering dijumpai dalam
industri kimia. Hal ini dikarenakan kemampuan operasinya yang dapat diatur kapasitasnya.
Percobaan reaktor alir kontinyu bertujuan untuk menghitung harga konstanta reaksi
penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, mengetahui pengaruh pengadukan terhadap konstanta
reaksi penyabunan etil asetat dengan NaOH, mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga
konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, membandingkan hasil percobaan
dengan perhitungan model matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu.
Pada percobaan ini variabel tetap yang digunakan adalah tinggi cairan 10 cm, konsentrasi
NaOH dan etil asetat 0,1 N, dan konsentrasi HCl 0,05 N sedangkan variabel berubahnya adalah
pengadukan lambat, sedang, dan cepat. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa semakin cepat
pengadukan, NaOH sisa (Ca) semakin sedikit sehingga orde reaksi dan harga konstanta reaksi
penyabunan etil asetat dengan NaOH (k) semakin besar. Ca model lebih kecil dari Ca
percobaan karena perhitungan Ca model yang menggunakan metode Runge Kutta yang
keakuratannya tinggi, sedangkan Ca percobaan diperoleh dari percobaan.
Kata kunci : Reaktor tangki berpengaduk, pengadukan, konstanta reaksi penyabunan
Abstract
Continuous stirer tank is a reactor that usually use in chemical industry. Because of the
control capacity in process is easy. Purposes of continuous stirrer tank experiment are to count
the value of saponification reaction constants (k) between ethyl acetate and NaOH, to know the
effect of stiring in saponification reaction constants (k) between ethyl acetate and NaOH, to
know the relation of reaction order with saponification reaction constants (k) between ethyl
acetate and NaOH, compare experiment result with mathematics model from reaction ethyl
acetate and NaOH in continuous stirer tank. In this experiment the dependent variabel is fluid
height 8 cm, NaOH and ethyl acetate 0.1 N, and HCl 0,05 N. The independent variabel is low
stirrer, medium stirrer and high stirrer. From the experiment result, rest of NaOH (Ca)
decreasing in higher stirrer, this effect of increasing reaction orde and (k) between etil asetat
and NaOH. Ca models smaller than Ca experiment because the calculation Ca model that using
Runge kutta method with high accuration, and Ca experiment got from experiment.
Keywords: stirred tank reactor, stirring, saponification reaction constants
1. PENDAHULUAN
Reaktor tangki berpengaduk
merupakan reaktor yang paling sering
dijumpai dalam industri kimia. Pada industri
berskala besar, reaktor alir tangki
berpengaduk lebih sering diaplikasikan
karena kemampuan operasinya yang dapat
diatur kapasitasnya. Untuk kerja reaktor alir
berpengaduk perlu dipelajari untuk
mengetahui karakteristik aliran fluida, reaksi
yang terjadi secara optimasi pengoperasian
reaktor. Untuk itu, dilakukan percobaan
reaktor alir kontinyu dengan tujuan untuk
menghitung harga konstanta reaksi
penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH,
mengetahui pengaruh pengadukan terhadap
konstanta reaksi penyabunan etil asetat
dengan NaOH, mengetahui hubungan orde
reaksi dengan harga konstanta reaksi
penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH,
membandingkan hasil percobaan dengan
perhitungan model matematis reaksi
penyabunan pada reaktor ideal aliran
kontinyu.
Pada reaktor tangki berpengaduk
dipelajari 2 macam reaktor, yaitu reaktor
batch dan kontinyu (CSTR). Reaktor batch
merupakan reaktor yang tidak ada input dan
output selama reaksi. Sehingga didapat
neraca massa reaktor batch adalah
t = Nao ∫
Reaktor kontinyu (CSTR) merupakan
reaktor yang pengoperasiannya meliputi tiga
tahap yaitu pengisian reaktor tinggi
overflow, kondisi kontinyu dan kontinyu
steady state. Evaluasi variabel-variabel
operasi sangat mudah dilakukan pada
kondisi steady state (Hill, 1977).
Pemodelan matematik diperlukan
untuk mempermudah analisa permasalahan
yang timbul dalam pengoperasian reaktor
alir tangki berpengaduk (Charles, 1987).
Model matematika yang diusulkan diuji
keakuratannya dengan membandingkan
data-data percobaan. Model matematika
yang diusulkan diselesaikan dengan cara
analisis jika persamaan itu mudah
diselesaikan. Namun untuk reaksi yang
kompleks akan diperoleh model matematika
yang kompleks juga. Penyelesaian numerik
sangat dianjurkan untuk memperoleh nilai k,
tetapan transfer massa, dan orde reaksi yang
merupakan adjustable parameter.
Reaksi yang terjadi pada reaktor
adalah:
CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa +
C2H5OH
Jika ditinjau secara thermodinamika, dengan
harga ∆H sebagai berikut:
∆H CH3COOC2H5 = -444.500 J/mol
∆H NaOH = -425.609 J/mol
∆H CH3COONa = -726.100 J/mol
∆H C2H5OH = -235 J/mol
Didapat ∆H bernilai negatif, maka reaksi
tersebut bersifat eksotermis yaitu
menghasilkan panas.
Jika ditinjau secara kinetika, dengan harga
∆G sebagai berikut:
∆G CH3COOC2H5 = -328 000 J/mol
∆G NaOH = -379 494 J/mol
∆G CH3COONa = -631 200 J/mol
∆G C2H5OH = -168 490 J/mol
Dan dengan menggunakan rumus mencari K
standar (pada T=25oC) yaitu:
∆G = -RT ln K
Kemudian menggunakan rumus mencari
harga K saat suhu operasi yaitu:
ln
= -
Maka didapat harga K > 1 artinya reaksi
berlangsung searah (irreversible).
Sifat fisis dan kimia reagen (NaOH
dan etil asetat adalah sebagai berikut:
1) NaOH
Sifat fisis :
- Berat Molekul = 40 gr/mol
- Titik didih = 134 °C
- Titik lebur = 318, 4 °C
- Berat jenis = 2, 130 gr/mol
- Kelarutan dalam 100 bagian air dingin
10°C = 42
- Kelarutan dalam 100 bagian air panas
100°C = 32
Sifat kimia :
- Dengan Pb(NO3)2 membentuk endapan
Pb(OH)2 yang larut dalam reagen excess,
merupakan basa kuat, mudah larut dalam air.
2) Etil Asetat
Sifat fisis
Titik didih = 85 °C
Berat molekul = 88 gr/mol
Titik lebur = -111 °C
Sifat kimia:
Bereaksi dengan Hg+ membentuk endapan
Hg2Cl2 putih yang tidak larut dalam air
panas dan asam encer tetapi larut dalam
ammonia encer dan KCN tiosulfat, beraksi
dengan Pb2+
membentuk PbCl2 putih, mudah
menguap apabila dipanaskan.
Faktor yang mempengaruhi harga k
(konstanta kecepatan reaksi) adalah:
Persamaan Arhenius
k = A
1. Frekuensi tumbukan
Pengadukan akan memperbesar tumbukan
partikel sehingga akan menurunkan energi
aktivasi,jika energi aktivasi turun, maka
kecepatan reaksi juga naik.
2. Energi aktivasi
Energi aktivasi merupakan energi minimum
yang diperlukan bagi reaksi untuk
berlangsung. Semakin rendah energi
aktivasi, maka reaksi akan berjaan semakin
cepat.
3. Suhu
Semakin tinggi suhu, maka reaksi akan
berjalan semakin cepat.
4. Katalis
Katalis dapat mempercepat reaksi karena
kemammpuannya mengadakan reaksi
dengan paling sedikit satu molekul reaktan
untuk menghasilkan senyawa yang lebih
aktif. Interaksi ini akan meningkatkan laju
reaksi (Levenspiel, 1999).
Untuk mengetahui harga k
(konstanta reaksi penyabunan) dari reaksi
NaOH +CH3COOC2H5 CH3COONa +
C2H5OH, dapat dihitung dengan cara:
dimana Ca=Cb
∫
∫
[
]
y = mx + c
Harga k didapat dari least square. Dimana
harga k merupakan nilai dari m.
Sedangkan untuk mengetahui orde
reaksi antara NaOH dan etil asetat dapat
dihitung menggunakan cara berikut ini:
y = mx + c m = n = orde reaksi
Orde reaksi didapat dari least square.
Dimana orde reaksi merupakan nilai dari m.
2. METODE DAN PROSEDUR
1. Percobaan Batch
Gambar 1. Alat Utama Proses Batch
Keterangan :
1. Reaktor Batch
2. Stirer
3. Statif
Untuk percobaan batch, percobaan
dilakukan dengan menyiapkan reagen etil
asetat 0,1 N, HCl 0,05 N, dan NaOH 0,1 N.
Kemudian memasukkan etil asetat dan
NaOH ke dalam reaktor batch sampai
ketinggian 10 cm. Sampel diambil pada t ke-
0 sebanyak 5 ml, kemudian ditambahkan
indikator MO 3 tetes dan dititrasi dengan
HCl sampai warna merah orange. Setelah
itu, dilakukan pengadukan lambat, sedang,
dan cepat, dan pengambilan sampel tiap 3
menit kemudian dititrasi, begitu terus
menerus sampai volume titran 3 kali
konstan.
2. Percobaan Kontinyu
Gambar 2. Alat Utama Proses Kontinyu
Keterangan :
1. Reaktor Kontinyu
2. Stirrer
3. Statif
4. Tangki NaOH
5. Tangki etil asetat
6. Pompa
Untuk percobaan kontinyu,
percobaan dilakukan dengan menyiapkan
reagen etil asetat 0,1 N, HCl 0,05 N, dan
NaOH 0,1 N. Kemudian memasukkan etil
asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan
masing-masing. Masing-masing reaktan
dalam tangki umpan dipompa ke dalam
CSTR yang kosong dan menjaga konstan
laju alirnya serta mereaksikannya. Sampel
diambil pada t ke-0 sebanyak 5 ml,
kemudian ditambahkan indikator MO 3 tetes
dan dititrasi dengan HCl sampai warna
merah orange. Setelah itu, dilakukan
pengadukan lambat, sedang, dan cepat, dan
pengambilan sampel tiap 3 menit kemudian
dititrasi, begitu terus menerus sampai
volume titran 3 kali konstan.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hubungan waktu vs konsentrasi tiap
variabel
a. Batch
Dari gambar 3, dapat dilihat bahwa
konsentrasi NaOH sisa baik pada saat tanpa
pengadukan, pengadukan lambat dan
pengadukan cepat, semakin waktu semakin
berkurang. Hal ini terjadi karena reaksi yang
terjadi pada reaktor batch belum tercapai
kondisi steady atau tunak. Kondisi steady
yaitu kondisi dimana tidak ada perubahan
baik energi maupun massa dalam sistem.
Sesuai dengan rumus:
1/Ca=k.t+1/Cao dimana
Ca : konsentrasi NaOH sisa
k : konstanta kecepatan reaksi
t : waktu
Cao : konsentrasi NaOH mula-mula
Dari persamaan di atas diketahui bahwa t
≈1/Ca yang berarti bahwa semakin lama
waktu reaksi maka Ca akan semakin kecil
karena akan bereaksi dengan etil asetat dan
mencapai kesetimbangan saat Ca konstan
(Binus, 2000). NaOH sisa paling rendah
yaitu pada pengadukan cepat,kemudian
lambat dan terakhir tanpa pengadukan. Hal
tersebut disebabkan karena pengadukan
dapat meningkatkan intensitas
tumbukan,sehingga reaksi lebih cepat
berlangsung.
0,05
0,052
0,054
0,056
0,058
0,06
0,062
0 3 6 9 12
Ca
t (menit)
Gambar 3 Grafik Hubungan t vs Ca pada Reaktor Batch
tanpa
pengadukan
pengadukan
lambat
pengadukan
cepat
Reaksi yang terjadi:
NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa +
C2H5OH
b. Kontinyu
Dari gambar 4, dapat dilihat bahwa
konsentrasi NaOH sisa baik pada saat tanpa
pengadukan,pengadukan lambat dan
pengadukan cepat, mengalami penurunan Ca
seiring dengan bertambahnya waktu. Hal ini
dikarenakan semakin lama waktu reaksi
maka semakin banyak NaOH yang bereaksi
dengan etil asetat yang menyebabkan
jumlahnya berkurang, reaksi yang terjadi:
NaOH + CH3COOC2H5CH3COONa
+ C2H5OH
NaOH bereaksi dengan etil asetat dan
menghasilkan produk berupa etanol dan
natrium asetat. Semakin lama waktu, jumlah
produk akan bertambah dan jumlah reaktan
berkurang sampai terjadi keseimbangan
dimana konsentrasi NaOH sisa tetap
(Yuniati. 2010).
Hubungan pengadukan dengan konstanta
laju reaksi (k)
Dari gambar 5, dapat dilihat bahwa
semakin cepat pengadukan, nilai konstanta
laju reaksi (k) semakin besar. Hal ini
dikarenakan semakin cepat pengadukan
akan memperbesar frekuensi tumbukan
antara molekul zat pereaksi dengan zat yang
bereaksi sehingga mempercepat reaksi.
Sesuai dengan persamaan Archenius :
)(RT
Ea
eAk
Semakin besar tumbukan maka semakin
besar pula harga konstanta lajureaksi (k)
(Arief, 2008).
Hubungan orde reaksi terhadap k
Pada percobaan, reaksi yang terjadi adalah:
CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa +
C2H5OH
Jika reaksi di atas adalah reaksi elementer,
maka orde reaksinya adalah 2. Orde reaksi
dicari dari persamaan:
-ra= k[CH3COOC2H5][NaOH]
-ra= k[Ca][Cb] dimana [Ca]=[Cb]
-ra = k[Ca]2
Pada reaksi elementer, orde reaksi dicari
dengan melihat pangkat konsentrasi reaktan
sedangkan untuk reaksi non elementer, orde
reaksi dicari melalui perhitungan data hasil
percobaan. Dari perhitungan, orde reaksi
pada pengadukan lambat, sedang, cepat
berturut-turut adalah 2,017; 1,950; 1,879.
Sesuai persamaan:
Dari persamaan di atas, diketahui bahwa
semakin besar nilai Ca dan k maka orde
reaksi akan semakin kecil. Hal ini sesuai
dengan hasil percobaan, yaitu semakin besar
nilai k, orde reaksi semakin kecil
(Levenspiel, 1999, 18).
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
tanpa
pengadukan
lambat cepat
kon
stan
ta l
aju
reak
si (
k)
Pengadukan
Gambar 5 Grafik Hubungan Pengadukan
dengan Konstanta Laju Reaksi
0,056
0,058
0,06
0,062
0,064
0,066
0,068
0,07
0,072
0 3 6 9 12 15 18
Ca
t (menit)
Gambar 4 Grafik Hubungan t vs Ca
pada Reaktor CSTR
tanpa
pengadukan
pengadukan
lambat
pengadukan
cepat
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0 3 6 9 12 15 18
Ca
t (menit)
Gambar 7 Grafik Perbandingan Ca Model dengan
Ca Percobaan pada Pengadukan Lambat
Ca
percob
aan
Ca
model
Perbandingan Ca model dengan Ca
percobaan
Berdasarkan gambar 6-8, dapat
dilihat bahwa pada variabel pengadukan
lambat, sedang, dan cepat Ca percobaan
lebih besar dari Ca model. 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 yaitu
pengadukan.Sehingga diperoleh Ca model
yang merupakan Ca ideal. Sedangkan Ca
percobaan diperoleh dari percobaan dengan
variabel pengadukan sehingga
keakuratannya lebih rendah dari Ca model.
Ca model diperoleh dari data hasil
percobaan yang kemudian diaplikasikan ke
dalam perhitungan teoritis metode Runge
Kutta. Karena hasil perhitungan k1,k2,k3,k4
adalah negatif, maka nilai Ca bertanda negatif, sehingga Ca model lebih kecil
daripada Ca percobaan (Supriyanto, 2006).
KESIMPULAN
Pada percobaan ini dapat
disimpulkan bahwa adalah konsentrasi
reaktan semakin berkurang seiring dengan
bertambahnya waktu, semakin cepat
pengadukan, nilai konstanta laju reaksi (k)
semakin besar, semakin besar nilai k, orde
reaksi semakin kecil, Ca percobaan lebih
besar dari Ca model. Saran dari kami adalah
teliti dalam pengamatan TAT dan
pengaturan pengadukan harus sesuai
variabel.
DAFTAR PUSTAKA
Arief, Rahman Hakim dan Sutra Irawan.
2008. Kajian Awal Sintesis
Biodiesel Dari Minyak Dedak
Pada ProsesEsterifikasi. Semarang
Levenspiel. O., “Chemical Reaction
Engineering” 2nd ed, Mc. Graw
Hill Book Kogakusha Ltd, Tokyo,
1999
Prasetyo. 2000. “Perpindahan panas”.
Universitas Bina Nusantara
Jakarta.
Supriyanto. 2006. Runge-Kutta Orde Empat.
Vol Universitas Indonesia Jakarta
Y. Yuyun, Sumarno, Mahfud. 2010.
Pemanfaatan Gliserol sebagai
Hasil Samping Biodiesel Menjadi
Produk Kimia Lain dalam Media
Air Subkritis hingga Superkritis.
Vol A-13-6. Institut Teknologi
Sepuluh Nopember Surabaya
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0 3 6 9 12
Ca
t (menit)
Gambar 6 Grafik Perbandingan Ca Model dengan
Ca Percobaan Saat Tanpa Pengadukan
Ca
percob
aan
Ca
model
0,05
0,055
0,06
0,065
0,07
0 3 6 9 12 15 18
Ca
t (menit)
Gambar 8 Grafik Perbandingan Ca Model dengan
Ca Percobaan pada Pengadukan Cepat
Ca
percob
aan
Ca
model
