P2 Kompros [PDF]

Citation preview

SIMULASI DAN PEMODELAN REAKTOR BATCH NON ADIABATIS DENGAN REAKSI SECARA ENDOTERMIS, SERI DAN REVERSIBEL PADA PEMBUATAN HIDROGEN DARI GAS METANA DENGAN PROSES STEAM REFORMING MENGGUNAKAN SIMULATOR SCILAB 5.5.2



Disusun Oleh : 1. Azka Donan Elmushidi



21030117130106



2. Dina Arista Wulandari



21030117130121



3. Stephanus Dwipa Puja



21030117140018



4. Sri Yustika



21030117120052



DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2019



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Reaktor adalah inti dari suatu proses reaksi kimia. Reaktor kimia merupakan suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutamakan efisiensi kerja reaktor, sehingga akan didapatkan hasil produk maksimal dengan biaya yang minimum, baik itu biaya modal maupun biaya operasi, biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan baku, upah operator dan lain-lain. Dalam operasi reaktor juga harus memperhatikan faktor keselamatan kerja. Gas alam sering juga disebut sebagai gas bumi atau gas rawa, adalah bahan bakar fosil berbentuk gas yang terutama terdiri dari metana (CH4). Metana dapat ditemukan di ladang minyak, ladang gas bumi dan juga tambang batu bara. Komponen utama dalam gas alam adalah metana (CH4), yang merupakan molekul hidrokarbon rantai terpendek dan teringan. Gas alam juga mengandung molekul-molekul hidrokarbon yang lebih berat seperti etana (C2H6), propana (C3H8) dan butana (C4H10), selain juga gas-gas yang mengandung sulfur (Tambunan, 2010). Secara garis besar pemanfaatan gas alam dibagi atas 3 kelompok yaitu gas alam sebagai bahan bakar, gas alam sebagai bahan baku dan gas alam sebagai komoditas energi untuk ekspor. Gas alam sebagai bahan bakar, antara lain sebagai bahan bakar Pembangkit Listrik Tenaga Gas/Uap, bahan bakar industri ringan, menengah dan berat, bahan bakar kendaraan bermotor (BBG/NGV). Gas alam sebagai bahan baku, antara lain bahan baku pabrik pupuk, petrokimia, metanol, bahan baku plastik (LDPE = low density polyethylene, LLDPE = linear low density polyethylene, HDPE = high density polyethylen, PE= poly ethylene, PVC=poly vinyl chloride, C3 dan C4-nya untuk LPG, CO2-nya untuk soft drink, dry ice pengawet makanan, hujan buatan, industri besi tuang, pengelasan dan bahan pemadam api ringan. Serta, Gas alam sebagai komoditas energi untuk ekspor, yakni Liquefied Natural Gas (LNG) (Tambunan, 2010) Secara mendasar, spesifikasi proses komersial untuk pabrik hidrogen diperoleh dari steam reforming, oksidasi parsial, gasifikasi batubara, dan elektrolisa air. Proses steam reforming metana adalah suatu proses reaksi metana dengan uap air pada



suhu tinggi. Proses ini merupakan proses termokimia untuk produksi gas hidrogen. Ada dua tahap reaksi yang terjadi pada proses produksi gas hidrogen melalui proses pembentukan uap metana. Reaksi pertama adalah reaksi pembentukan yang merupakan reaksi endoterm yang memerlukan katalis dan terjadi pada temperatur yang tinggi antara 800°C hingga 900°C. Reaksi kedua adalah reaksi pergeseran (shift reaction) yang merupakan reaksi eksoterm yang menghasilkan karbon dioksida (CO2) dan gas hidrogen (H2). Proses selanjutnya adalah proses pemisahan karbon dioksida dan proses pemurnian gas hidrogen (Irianto, 2009). Pemodelan yang akan dilakukan menggunakan scilab 5.5.2 yaitu dengan reaktor batch non adiabatis dengan reaksi secara reversibel, seri, dan endotermis yang dijalankan pada kondisi operasi pada reaksi reforming yaitu 800°C dan tekanan 30 atm dengan katalis Ni serta pada shift water gas dijalankan pada kondisi operasi 400°C. Sebagai sarjana Teknik Kimia diharapkan mampu merancang dan menentukan reaktor kimia yang akan digunakan dengan berdasarkan ilmu teknik kimia yang melibatkan perhitungan model matematika kompleks. Penyelesaian model matematika yang kompleks membutuhkan metode numerik yang tidak lepas dari aplikasi pemrograman komputer. Salah satu aplikasi pemrograman komputer yang dapat digunakan adalah Scilab. Pada sistem operasi Windows, Scilab mempunyai versi 5.5.2. Oleh karena itu, process engineering diharapkan mampu menggunakan aplikasi komputasi Scilab untuk menyelesaikan perhitungan model matematika kompleks pada perancangan reaktor.



1.2 Rumusan Masalah Perancangan reaktor melibatkan perhitungan yang kompleks dan penyelesaian yang panjang. Penyelesaikan perhitungan neraca massa, neraca panas, kinetika reaksi kimia, laju reaksi, dan lain-lain dibutuhkan dalam pembuatan reaktor yang ideal untuk proses steam reforming. Alasan digunakan proses steam reforming yaitu proses ini merupakan proses yang paling efisien untuk mengubah gas alam menjadi hidrogen, sanas yang digunakan dapat diperoleh dari panas yang sebelumnya, dan biaya produksi yang paling murah. Proses dalam reaktor tersebutlah haruslah ideal agar didapatkan proses yang ekonomis dan efisien. Dalam proses penyelesaikan persamaan-persamaan perhitungan tersebut,



maka diperlukan suatu



program



yang dapat



mempermudah dalam



penyelesaiannya untuk mendapatkan reaksi yang ideal. Oleh karena itu pengkajian sistem reaktor untuk mendapatkan reaksi ideal dengan penyelesaian perhitungan perancangan reactor, maka program Scilab untuk mempermudah perancangan proses. Untuk merancang



reaktor dengan berbagai spesifikasinya (batch, non adiabatis, reversibel, seri, endotermis yang dijalankan pada kondisi operasi pada reaksi reforming yaitu 800°C dan tekanan 30 atm dengan katalis Ni serta pada shift water gas dijalankan pada kondisi operasi 400°C) tersebut diperlukan perhitungan neraca massa dan neraca energi yang dapat disimulasikan dengan memanfaatkan program Scilab 5.5.2. 1.3 Tujuan Percobaan 1. Merancang reaktor dengan membuat algoritma program komputasi untuk menyelesaikan perhitungan dalam perancangan reaktor dan mensimulasikan reaktor batch berdasarkan program komputasi yang telah disusun dalam Scilab 5.5.2. 2. Untuk mengetahui pengaruh waktu terhadap besarnya nilai konsentrasi masing – masing zat pada pembuatan hidrogen dari gas metana dengan reaktor batch, non adiabatis, reversibel, endotermis secara seri dalam reaksi dengan Scilab 5.5.2. 3. Untuk mengetahui pengaruh waktu terhadap konversi yang dihasilkan pada pembuatan hidrogen dari gas metana dengan reaktor batch, non adiabatis, reversibel, endotermis secara seri dalam reaksi dengan Scilab 5.5.2. 4. Untuk mengetahui pengaruh waktu terhadap besarnya nilai suhu reaktor pada pembuatan hidrogen dari gas metana dengan reaktor batch, non adiabatis, reversibel, endotermis secara seri dalam reaksi dengan Scilab 5.5.2. 5. Untuk membuktikan neraca masa dalam pembuatan hidrogen dari gas metana dengan reaktor batch, non adiabatis, reversibel, endotermis secara seri dalam reaksi dengan Scilab 5.5.2. 6. Untuk membuktikan neraca panas dalam pembuatan hidrogen dari gas metana dengan reaktor batch, non adiabatis, reversibel, endotermis secara seri dalam reaksi dengan Scilab 5.5.2. 1.4 Manfaat Percobaan Scilab adalah software free dan open source untuk komputasi numerik. Software ini menyediakan lingkungan untuk perhitungan yang dibutuhkan bidang sains dan keteknikan. Scilab berisi bahasa pemrogaman tingkat tinggi, sebagian besar kegunaannya didasarkan pada seputar kemampuan menspesifikasi banyak komputasi dengan sedikit baris kode. Scilab dapat dioperasikan untuk mensimulasikan proses reaksi kimia unuk mendapatkan nilai konversi, konsentrasi dan suhu reaksi. Pada proses industri, ilmu Teknik Kimia diaplikasikan dalam peracangan dan pemeliharaan proses-proses di industri. Proses yang digunakan haruslah bernilai ekonomis dan efisien. Untuk mencapai tujuan ini, proses yang ada dapat menjadi sederhana, atau menjadi rumit agar proses dapat menjadi ekonomis. Oleh karena itu dibutuhkan permodelan matematis menggunakan Scilab agar



didapat proses yang diinginkan. Penggunaan metode numerik ini juga diharapkan dapat mengatasi berbagai kelemahan-kelemahan metode yang sebelumnya ada. Sehingga beberapa uraian diatas, menunjukan bahwa banyak faktor yang mempengaruhi kinerja reaktor. Perlakuan paling tepat pada faktor-faktor tersebut merupakan masalah utama dalam perancangan reaktor. Pada beberapa perancangan reaktor yang telah ada, perhitungan berbagai macam data dilakukan dengan metode numerik secara manual. Perhitungan tersebut merupakan masalah numerik yang kompleks. Oleh karena itu, digunakan perangkat lunak yaitu Scilab sebagai perancangan dan simulasi reaktor secara numerik. Hal ini memudahkan bagi para engineer teknik kimia dalam perancangan reaktor suatu pabrik.



BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori 2.1.1 Reaktor Reaktor kimia adalah sebuah alat industri kimia, dimana terjadi reaksi bahan mentah menjadi hasil jadi yang lebih berharga. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk dibandingkan masukan atau input yang besar dengan biaya yang minimum, baik itu biaya modal maupun operasi.  Tujuan pemilihan reaktor adalah: a. Mendapat keuntungan yang besar 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  Pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh: 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 (reactor) dan biaya instalasinya e. Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas. 2.1.2 Jenis Reaktor Berikut adalah jenis-jenis reaktor berdasarkan bentuk, proses dan keadaan operasi yang digunakan. 1. Berdasarkan bentuknya, a. 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. b. Reaktor Pipa Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa.



Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir di dalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa. 2. Berdasarkan prosesnya, A. Reaktor Batch dan Semi-Batch Dalam reaktor batch, bahan baku atau reaktan dimasukkan semua pada awal proses dalam container, kemudian dicampur dengan merata, dan dibiarkan bereaksi pada jangka waktu tertentu. Setelah reaksi selesai, produk dikeluarkan. Proses yang terjadi merupakan proses unsteady state atau tidak tetap dimana komposisi berubah bergantung waktu, akan tetapi komposisi saat berada dalam reactor tetap konstan (Levensiel, 1999).



Gambar 2.1 Reaktor Batch Sumber: (Asmitara, 2013) Reaktor jenis ini biasanya digunakan pada reaksi dengan fase cair dengan dan 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.  Keuntungan reaktor batch: a. Lebih murah dibanding reaktor alir b. Lebih mudah pengoperasiannya c. Lebih mudah dikontrol  Kerugian reaktor batch: a. Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada lubang pengaduk) b. Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untuk pengisian, pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reaktor, waktu reaksi) Misalkan: A + B



P



Neraca massa untuk komponen A adalah: Amasuk



= Akeluar + Aterakumulasi + Abereaksi



(1)



FAi



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



(2)



FAi = FAo = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar −𝑟𝐴 =



−1 𝑑𝑁𝐴 𝑣



(3)



𝑑𝑡



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



(4)



Bentuk differensialnya: dNA dt dNA dt



= =



d(CA. 𝑉)



(5)



dt V.dCA dt



+



CA dV



(6)



dt



Untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi dapat menggunakan persamaan: Waktu reaksi: dN 𝑅𝐴 𝑉 = dtA =



D𝑁𝐴0 (1−𝐹𝐴 ) dt



𝐹



=−



𝑁𝐴0 𝑑𝑓𝐴 𝑑𝑡



𝑑𝑓



𝑡 = 𝑁𝐴0 = ∫𝐹 𝐴2 −𝑅 𝐴𝑉 𝐴1



𝐴



(7) (8)



Reaktor Alir ada 2 jenis reaktor alir, yaitu : 1. RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)



Gambar 2.2 Reaktor Alir Tangki Berpengaduk 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



Pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk 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. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen dimana semua bahan dan katalisnya berfasa cair, atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis cair (Arief dkk, 2010). 2. RAP (Reaktor Alir Pipa)



Gambar 2.3 Reaktor Alir Pipa (Sumber: University of Michigan) Reaktor alir pipa merupakan suatu reaktor berbentuk pipa yang beroperasi secara kontinyu. Selama operasi berlangsung, bahan baku dimasukkan terus menerus dan produk reaksi yang dihasilkan akan dikeluarkan secara terus menerus sehingga disini tidak terjadi pencampuran ke arah aksial dan semua molekul mempunyai waktu tinggal di dalam reaktor sama besar. Jenis-jenis RAP diantaranya adalah reaktor alir pipa yang biasanya berupa gas-gas, cair-cair, dimana reaksi tidak menimbulkan panas yang terlalu tinggi. Selain itu ada jenis reaktor pipa shell and tube yang merupakan jenis reaktor dimana beberapa pipa yang disusun dalam sebuah shell, reaksi berjalan di dalam pipa-pipa dan pemanas atau pendingin di dalam shell. Jenis RAP lainnya yaitu fixed bed reactor berbentuk pipa besar yang didalamnya berisi katalisator padat. Biasanya digunakan untuk reaksi fase gas dan katalisatornya padat. Kemudian jenis yang keempat adalah fluidized bed reactor yang biasanya digunakan untuk reaksi fase gas katalisator padat dengan katalisator yang mudah diregenerasi atau padatan dalam reaktor adalah reaktan yang bereaksi menjadi produk (Arief dkk, 2010).



3. Berdasarkan keadaan operasinya, a. Reaktor isotermal. Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama. b. Reaktor adiabatis. Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya. c. Reaktor non-adiabatis Non-Adiabatis jika ada perpindahan panas antara reaktor



dan



sekelilingnya (Q ≠ 0) 2.1.3 Sistem Adiabatis dan Non – Adiabatis Proses adiabatik adalah proses termodinamika dimana sistem tidak mendapatkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Panas dapat dihasilkan atau diserap ke dalam sebuah reaksi. Panas tersebut dilihat dari ΔQ atau kalor yang berpindah dalam sebuah reaksi. Dalam perancangan reactor ada reaksi yang adiabatik dan non adiabatik. 



Reaktor dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dengan sekelilingnya. Dengan menyekat reaktor sehingga tidak ada panas yang keluar ke sekeliling maupun masuk dari sekeliling.







Non adiabatis merupakan kondisi reaksi dimana terdapat perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan, sehingga untuk reaktor diperlukan aksesoris perpindahan panas seperti jaket atau coil. bila reaksi bersifat endotermis maka perlu adannya pemanas (Smith et al., 2001).



Dalam simulasi kali ini dimaksudkan untuk merancang reaktor yang non adiabatis. 2.1.4 Eksotermis dan Endotermis Berdasarkan panas atau kalor yang dihasilkan, suatu reaksi kimia dibedakan menjadi reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. 



Reaksi endoterm adalah reaksi dimana terjadinnya perpindahan kalor dari lingkungan ke sistem. Reaksi endotermis ditandai dengan adannya penurunan suhu sistem. Reaksi endotermis merupakan reaksi yang menyerap panas dari lingkungan ke dalam reaksi. Pada reaksi endoterm ini diserap sejumlah energi pada sistem sehingga entalpi sistem akan bertambah dan perubahan entalpinya akan bernilai positif (ΔH>0).



Hal ini karena energi yang dilepaskan lebih kecil daripada energi yang digunakan saat reaksi.. 



Reaksi eksotermis adalah reaksi dimana terjadinnya perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan. Reaksi eksotermis melepas panas dari reaksi ke lingkungan. Reaksi



dikatakan eksoterm bila proses



menghasilkan panas atau kalor.



reaksi



tersebut



reaksi eksotermis selalu ditandai dengan



adannya kenaikan suhu sistem saat reaksi berlangsung. perubahan entalpi dihitung degan ∆H energi untuk memutus ikatan energi untuk membuat produk reaksi. Perubahan entalpi bertanda negatif (delta H Hreaktan ; ΔH > 0 ; ΔH bernilai + 2.1.5 Monomolekuler dan Bimolekuler Kemolekularan Reaksi adalah jumlah molekul pereaksi pada tahap penentu laju reaksi. Kemolekulan reaksi sama dengan orde reaksi untuk tahap tersebut dan dapat dibedakan menjadi monomolekuler dan bimolekuler. 



Reaksi monomolekuler atau unimolekuler hanya terdiri dari satu molekul yang terbentuk dari transformasi atau diasosiasi satu atau beberapa molekul lain Didalam reaksi unimolekuler, molekul reaktan tunggal terisomerisasi atau terdekomposisi untuk menghasilkan satu atau lebih produk. Sebuah contoh dari reaksi monomolekuler adalah isomerisasi cis–trans, di mana sebuah senyawa bentuk cis akan berubah menjadi bentuk trans (Sarman, 2009).



Reaksi monomolekular meliputi satu molekul pereaksi dan salah satunya Reaksi isomerisasi A



B



Reaksi dekomposisi A



B+C







Reaksi bimolekular adalah satu reaksi dimana dua molekul pereaksi yang sama atau tidak bergabung menghasilkan satu atau sejumlah molekul produk. Mereka adalah reaksi-reaksi asosiasi (kebalikan reaksi dekomposisi) atau reaksi pertukaran.



A+B



AB



2A



A2



A+B



C+D



2A



C+D



2.1.6 Seri dan Parallel Dalam sebuah reaksi hampir tidak mungkin ditemukan bahwa reaksi akan bergerak kearah 1 produk saja namun akan terdapat reaksi samping atau produk samping dari sebuah reaksi. Produk samping yang terbentuk dapat terjadi melalui reaksi parallel atau reaksi seri. Reaksi parallel adalah reaksi dimana reaktan akan bergerak ke 2 arah reaksi yang berbeda. A



B



A



C Reaksi seri adalah reaksi dimana produk yang dihasilkan akan mengalami



reaksi lebih lanjut dan berubah menjadi produk lain (Fogler, 2004). Reaksi seri digambarkan sebagai berikut A



B



C



Dalam simulasi kali ini digunakan jenis reaksi seri dimana reaktan toluene hanya bergerak ke satu reaksi saja dan terdapat reaksi lanjutan dari produk yang dihasilkan pada reaksi utama Reaksi Utama : 2C6H5CH3



C6H6 + C8H10



Reaksi Lanjutan : C6H6 + C2H4



C6H5CH2CH3



2.1.7 Reversibel dan Irreversibel Konstanta keseimbangan merupakan indicator dari arah suatu reaksi. Ada 2 jenis arah reaksi yaitu irreversible dan reversible. Reaksi irreversible adalah reaksi 1 arah dimana reaksi bergerak dari reaktan kearah produk sedangkan reaksi reversible adalah reaksi 2 arah dimana reaksi dapat bergerak dari reaktan kearah



produk. Dalam reaksi reversible biasanya dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan komposisi dari senyawa yang terlibat dalam reaksi (Smith, et al., 2001). Dalam simulasi ini digunakan reaksi reversible yaitu: 2C6H5CH3



C6H6 + C8H10



2.2. Studi Kasus Berdasarkan tugas besar mata kuliah Model dan Komputasi Proses tahun 2019, studi kasus yang diberikan adalah Simulasi dan Pemodelan Reaktor Batch Non Adiabatis dengan Reaksi Secara Endotermis, Seri dan Reversibel pada Pembuatan Hidrogen dari Gas Metana dengan Proses Steam Reforming Menggunakan Simuator Scilab 5.5.2. Pada perancangan ini, jenis reaktor batch yang diisolasi dengan jacket agar kondisi non-adiabatis. Reaksi yang digunakan adalah reaksi pembuatan hidrogen dari gas alam dengan proses steam reforming. Pembuktian bahwa reaksi tersebut memenuhi syarat permasalahan, dapat dijelaskan sebagai berikut: 2.2.1. Dasar Reaksi Reaksi yang terjadi, mengambil anggapan hanya senyawa gas metana yang bereaksi terhadap steam sebagai reaksi utama pada suhu 500-900oC yang menghasilkan gas karbon monoksida dan hidrogen, sedangkan reaksi water gas (samping) terjadi antara karbon monoksida dan steam menghasilkan gas karbon dioksida dan hidrogen pada suhu 350-500oC. 



Reaksi Utama (Reforming) CH4(g) + H2O(g) ↔ CO(g) + 3H2(g)







Reaksi Water Gas CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g)



2.2.2. Spesisfikasi Bahan Baku Sifat Fisis Metana: 



Rumus molekul



: CH4







Berat molekul



: 16,04 gr/mol







Wujud



: gas







Suhu kritis



: -82,5oC







Tekanan kritis



: 6,67 MPa







Panas penguapan



: 8,185 kJ/mol







Panas pembakaran



: 0,942 kJ/mol







Kapasitas panas (-100oC)



: 37,33 J mol K







Panas pembentukan



: -74,897 kJ/mol







Density (-170oC)



: 0,04362 gr/cm3







Viskositas (-170oC)



: 0,142 gr/cm3



(Ullmann, 1977)



Sifat Kimia Metana 



Apabila metana dan oksigen berada disuatu ruangan dengan konsentrasi oksigen lebih tinggi dibandingkan metana, maka adanya api sedikit saja sudah bisa Terbakar dan timbulnya ledakan karena reaksi yang terjadi sangat eksotermis. Campuran dari metana dengan udara yang eksplosif dalam kisaran 5 – 15% volume metana. CH4 + 2O2 ⟶ CO2 + 2H2O







Jika campuran alkane dan gas klor disimpan pada suhu rendah dalam keadaan gelap, reaksi tidak berlangsung. Jika campuran tersebut dalam kondisi suhu tinggi atau di bawah sinar UV, maka akan terjadi reaksi yang eksotermis. Reaksi kimia dengan bantuan cahaya disebut reaksi fitokimia. CH4 + Cl2 ⟶ 4HCl + C



2.2.3. Tinjauan Termodinamika Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis atau endotermis maka perlu dilakukan perhitungan dengan menggunakan panas pembentukan standar (ΔHf) total pada kedua reaksi. Data-data entalpi pembentukan senyawa yang terlibat pada reaksi pembentukan hidrogen dari gas alam (metana): Hfo CH4



= -74.850 J/mol



Hfo H2O = -241.800 J/mol Hfo CO



= -110.540 J/mol



Hfo H2



= 0 J/mol



Hfo CO2



= -393.500 J/mol



Menghitung nilai Cp: 𝑇



𝑇



∫ 𝐶𝑝 𝑑𝑇 = ∫ (𝐴 + 𝐵𝑇 + 𝐶𝑇 2 + 𝐷𝑇 3 + 𝐸𝑇 4 ) 𝑑𝑇 𝑇0



Nama



C



D



E



CH4(g) 34,942 -3,9957x10-2



1,9184x10-4



-1,5303x10-7



3,9321x10-11



H2O(g) 33,878 -8,4186x10-3



2,9906x10-5



-1,7825x10-8



3,6934x10-12



29,556 -6,5807x10-3



2,0130x10-5



-1,2227x10-8



2,2617x10-12



CO(g)



A



𝑇0



B



25,399



2,0178x10-2



-3,8078x10-5



3,1880x10-8



-8,7585x10-12



CO2(g) 27,437



4,2315x10-2



-1,9995x10-5



3,9968x10-9



-2,9872x10-13



H2(g)



Reaksi utama: CH4(g) + H2O(g) ↔ CO(g) + 3H2(g) Harga ΔHfo pada reaksi utama dapat dihitung sebagai berikut: ΔHfo reaksi



= ΔHfo produk - ΔHfo reaktan = (ΔHfo CO + 3 ΔHfo H2) – (ΔHfo CH4 + ΔHfo H2O) = 206.110 J/mol



Reaksi utama terjadi pada suhu operasi 1073 K sehingga ΔH reaksi tersebut dapat dihitung sebagai berikut: 1073



ΔH reaksi = Hf + ∫298 𝐶𝑝 𝑑𝑇 ΔH CH4 = -74.850 + 43.914,4263 = -30.935,5737 J/mol ΔH H2O = -241.800 + 29.053,7492 = -212.746,2508 J/mol ΔH CO



= -110.540 + 29.916,9395 = -80.623,0605 J/mol



ΔH H2



= 0 + 13.005,9718 = 13.005,9718 J/mol



ΔH reaksi = ΔH produk – ΔH reaktan = (ΔH CO + 3 ΔH H2) – (ΔH CH4 + ΔH H2O) = 202.076,6794 J/mol Reaksi waste gas: CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g) Harga ΔHfo pada reaksi waste gas dapat dihitung sebagai berikut: ΔHfo reaksi



= ΔHfo produk - ΔHfo reaktan = (ΔHfo CO2 + 3 ΔHfo H2) – (ΔHfo CO + ΔHfo H2O) = -41.160 J/mol



Reaksi water gas terjadi pada suhu operasi 673 K sehingga ΔH reaksi tersebut dapat dihitung sebagai berikut: 673



ΔH reaksi = Hf + ∫298 𝐶𝑝 𝑑𝑇 ΔH CO



= -110.540 + 11.764,092 = -98.775,908 J/mol



ΔH H2O = -241.800 + 13188,2218 = -228.611,7782 J/mol ΔH CO2 = -393.500 + 16.366,5049 = -377.133,4951 J/mol ΔH H2



= 0 + 7.615,091 = 7.615,091 J/mol



ΔH reaksi = ΔH produk – ΔH reaktan = (ΔH CO2 + ΔH H2) – (ΔH CO + ΔH H2O) = -42.130,7178 J/mol Sehingga ΔH total dari kedua reaksi tersebut adalah ΔH total = ΔHr1 + ΔHr2 = 202.076,6794 - 42.130,7178 = 159.945,9616 J/mol Harga ∆H reaksi yang positif menunjukan bahwa reaksi bersifat endotermis atau membutuhkan panas untuk bereaksi. Untuk menentukan apakah reaksi tersebut searah (irreversible) atau bolak-balik (reversible) dengan meninjau memalui perubahan energi Gibbs (ΔG). Untuk menghitung nilai K, dibutuhkan harga perubahan energi gibbs (∆G). ∆G dapat dihitung dengan persamaan (Levenspiel,1999): ∆G



= - R T ln K



Data-data ∆Go adalah sebagai berikut: ∆Go CH4 = -50,84 kJ/mol ∆Go H2O = -228,60 kJ/mol ∆Go CO = -137,20 kJ/mol ∆Go H2



= 0 kJ/mol



∆Go CO2 = -394,40 kJ/mol Harga ∆Go reaksi utama dapat dihitung sebagai berikut: ∆Go reaksi



= ∆Go produk - ∆Go reaktan = (∆Go CO + ∆Go H2) – (∆Go CH4 + ∆Go H2O) = 142,24 kJ/mol = 142.240 J/mol



Nilai K pada suhu referensi (298 K) dihitung sebagai berikut: ln K



=−



∆G𝑜 RT



141,863



= − 8,314×298 K



= 1,166 x 10-25



Untuk mengetahui harga K pada kondisi operasi yaitu suhu 1073 K, persamaan diatas diintegrasikan dengan batas Ko sampai K dan To sampai T maka diperoleh persamaan: 𝛥𝐻𝑓 𝑜 1 𝐾 1 = ( − ) 𝐾𝑜 𝑅 𝑇𝑜 𝑇 𝐾 206.110 1 1 ln = ( − ) −25 1,166 × 10 8,314 298 1073 ln



ln K



= 60,086



K



= 14,5146



Dari perhitungan diatas menunjukan bahwa harga K kecil (nilai < 50) maka dapat disimpulkan reaksi bersifat reversible atau bolak balik. Harga ∆Go reaksi waste gas dapat dihitung sebagai berikut: ∆Go reaksi



= ∆Go produk - ∆Go reaktan = (∆Go CO2 + ∆Go H2) – (∆Go CO + ∆Go H2O) = -28,60 kJ/mol = -28.600 J/mol



Nilai K pada suhu referensi (298 K) dihitung sebagai berikut: ln K



=−



∆G𝑜 RT −28.600



= − 8,314×298 K



= 103.110,817



Untuk mengetahui harga K pada kondisi operasi yaitu suhu 673 K, persamaan diatas diintegrasikan dengan batas Ko sampai K dan To sampai T maka diperoleh persamaan: 𝛥𝐻𝑓 𝑜 1 𝐾 1 ln 𝑜 = ( 𝑜− ) 𝐾 𝑅 𝑇 𝑇 𝐾 −41.160 1 1 ln = ( − ) 103.110,817 8,314 298 673 ln K



= -9,2569



K



= 9,8421



Dari perhitungan diatas menunjukan bahwa harga K kecil (nilai < 50) maka dapat disimpulkan reaksi bersifat reversible atau bolak balik.



2.2.4. Tinjauan Kinetika Kinetika reaksi adalah usaha untuk mempercepat terjadinya reaksi. Keadaan optimal tercapai bila harga konstanta kecepatan reaksi (k) besar. Faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi sesuai dengan persamaan Arhenius: 𝐸



𝑘 = 𝐴𝑒 −(𝑅𝑇) dengan: k = Konstanta kecepatan reaksi A = Faktor frekuensi tumbukan E = Energi aktivasi, kJ/mol R = Konstanta gas umum, kJ/mol.K T = Suhu, K Dari persamaan reaksi di atas, karena harga A dan R adalah tetap, maka reaksi tersebut hanya dipengaruhi oleh temperatur. Jika temperatur dinaikkan maka harga konstanta kecepatan reaksi akan semakin besar yang akhirnya akan mempercepat reaksi. Dari persamaan di atas, maka untuk mempercepat reaksi perlu dilakukan usaha-usaha untuk memperbesar harga k, yaitu dengan jalan memperbesar harga A dan T, serta memperkecil harga E. 2.2.5. Kondisi Operasi Secara umum pembuatan gas hidrogen dari gas alam dalam industri dilakukan pada kondisi sebagai berikut: 1. Reaksi Utama (Reforming) Tekanan



: 21-41 atm



Suhu



: 500-900oC



2. Reaksi Waste Gas HST, Tekanan



: 28-35 atm



Suhu



: 350-500oC