Reaktor 1 dan 2

8/20/2019 Reaktor 1 dan 2

1/112

TIPE DAN JENIS REAKTORReaktor Kimia adalah salah satu alat industri kimia,

dimana terjadi reaksi bahan mentah menjadi produk

yang lebih berharga


2/112

Kerangka Topologi Teknik Reaksi Kimia


3/112

3

Reaktor Kimia

A+B+P A+B P

A

B

P

Reaktor PartaianReaktor Pipa Ideal

Reaktor Aliran Sumbat Reaktor Tangki Ideal


4/112

4

Karakteristik Reaktor Ideal

Karakteristik Reaktor Partaian Reaktor Aliran

Sumbat

Reaktor Tangki

IdealTemperatur, tekanan,

komposisi

Uniform setiap saat Konsentrasi berubah

ke arah keluaran

reaktor.

Tak ada gradien

konsentrasi dan

temperatur ke arahradial.

Tak ada difusi dan

pencampuran ke arah

aksial.

Pencampuran

sempurna.

Komposisi di dalamreaktor uniform, dan

besarnya sama dengan

keluaran reaktor.

Kondisi ideal

Distribusi waktu

tinggal reaktan.

Seragam. Seragam. Tidak seragam.

Volume reaktor yang

dibutuhkan untuk

derajat konversi yangsama.

Relatif kecil. Relatif kecil. Besar.

Distribusi produk

(untuk reaksi

konsekutif).

Besar, untuk produk

antara.

Besar, untuk produk

antara.

Kecil, untuk produk

antara.

Karakteristik

Kinetika

Probabilitas reaksi

untuk rasio komposisi

tertentu.

Tidak mungkin Tidak mungkin Mungkin

Fleksibilitas Tinggi Rendah Medium Features

Aplikasi Multiguna, skala kecil. Skala besar. Skala medium


5/112

5

Karakteristik Reaksi dan Pertimbangan Perancangan

pada Berbagai Industri Kimia

Proses Reaktor Karakteristik

Reaksi Kimia

Pertimbangan

PerancanganPerengkahan Nafta Fasa gas, homogen. Endotermal, konsekutif. Perolehan produk,

pemanasan dan pendinginancepat.

Reformasi kukus Fasa gas-padatan,heterogen, unggun tetap.

Endotermal, reversibel,kesetimbangan.

Neraca panas, fluks panas,katalis.

Resin epoxy Fasa cair, reaktor tangki berpengaduk.

Polimerisasi eksotermal. Penghilangan panas, pengendalian reaksi polimerisasi.

Hydrotreating Fasa gas dan cair,heterogen, unggun tetap.

Eksotermal, tekanan tinggi. Konsumsi hidrogen, penghilangan panas, katalis.

Perengkahan katalitik(FCC)

Fasa gas-cair-padat,heterogen, unggun

terfluidakan kontinyu.

Endotermal, konsekutif. Distribusi produk, regenerasikatalis secara kontinyu.

Desulfurisasu gas bakartipe basah Fasa gas-cair-padat,heterogen, kolom

gelembung.

Reaksi asam-basa. Perpindahan massa, penghematan penggunaan

energi.


6/112

6

Reaktor Partaian (Batch Reactor)

Reaktor Pipa Ideal (PFR)

Reaktor Tangki Ideal Kontinyu (CSTR)


7/112

Tujuan Pemilihan Reaktor

Mendapat keuntungan yang besar

Biaya produksi rendah

Modal kecil/volume reaktor minimum

Operasinya sederhana dan murah

Keselamatan kerja terjamin

Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga

sekecil-kecilnya


8/112

Dasar Pemilihan Jenis Reaktor

Fasa zat pereaksi dan hasil reaksi

Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta

ada tidaknya reaksi samping

Kapasitas produksi

Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya

Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas

permukaan yang cukup untuk perpindahan panas


9/112

Jenis – Jenis Reaktor

Berdasarkan Bentuk

Reaktor Tangki

Reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna,

sehingga komposisi dan suhu di dalam reaktor setiap saatselalu uniform. Proses batch, semi batch, dan proses alir.

Reaktor pipa

Digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor AlirPipa. Ideal bila zat pereaksi yang berupa gas ataucairan, mengalir di dalam pipa dengan arah sejajarsumbu pipa.


10/112

Berdasarkan Proses

Reaktor BatchBiasanya untuk reaksi fase cair yang digunakan pada

kapasitas produksi yang kecil.

Keuntungan reaktor batch:

Lebih murah dibanding reaktor alir

Lebih mudah pengoperasiannya Lebih mudah dikontrol


11/112

Kerugian reaktor batch:

Tidak baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran

pada lubang pengaduk)

Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untukpengisian, pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil,

pembersihan reaktor, waktu reaksi)


12/112

Berdasarkan Proses (Lanjutan)

Reaktor Alir (Kontinu)

1. RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)Keuntungan reaktor RATB:

Suhu dan komposisi campuran dalam reaktor sama

Volume reaktor besar, maka waktu tinggal juga besar,

berarti zat pereaksi lebih lama bereaksi di reaktor


13/112

Kerugian reaktor RATB:

Tidak effisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang

bertekanan tinggi.

Kecepatan perpindahan panas lebih rendah dibanding RAP Untuk menghasilkan konversi yang sama, volume yang

dibutuhkan RATB lebih besar dari RAP.


14/112


Reaktor Alir (Kontinu)2.

RAP (Reaktor Alir Pipa)Ideal jika pereaksi dan hasil reaksi mengalir dengankecepatan yang sama diseluruh penampang pipa.

Keuntungan reaktor RAP:

Volume yang diperlukan lebih kecil daripada RATB, untukkonversi yang sama


15/112

Kerugian reaktor RAP:

Harga alat dan biaya instalasi tinggi.

Perlu waktu untuk mencapai kondisi steady state.

Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi “hot spot ”(bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat

pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding

reaktor.


16/112


Reaktor Alir (Kontinu)3.

RSB (Reaktor Semi Batch/Kontinu)Biasanya berbentuk tangki berpengaduk


17/112

Berdasarkan Operasi

Reaktor Isotermal

Isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalamreaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragamdan bersuhu sama.


18/112

Berdasarkan Operasi

Reaktor Adiabatis

Adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antarareaktor dan sekelilingnya.

Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi

karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu

campuran di reaktor (K naik dan – rA besar sehinggawaktu reaksi menjadi lebih pendek).


19/112

Reaktor Gas Cair dengan Katalis Padat

Packed/Fixed Bed Reactor (PBR)

Terdiri dari satu pipa/lebih berisi tumpukan katalisstasioner dan dioperasikan vertikal. Biasanya

dioperasikan secara adiabatis.


20/112

Fluidized Bed Reactor (FBR)Reaktor dimana katalisnya terangkat oleh aliran gas

reaktan. Operasinya: isotermal. Pada FBR jumlah katalis

lebih sedikit, katalis bergerak sesuai kecepatan aliran

gas masuk. FBR memberikan luas permukaan yang lebih

besar dari PBR.


21/112

Fluid – Fluid Reaktor

Bubble Tank


22/112

Fluid – Fluid Reaktor (Lanjutan)

Agitate Tank


23/112

Fluid – Fluid Reaktor (Lanjutan)

Spray Tower


24/112

Fluid –

Fluid Reaktor (Lanjutan)

Pertimbangan dalam pemilihan fluid-fluid reaktor.

Gas yang sukar larut (KL


25/112

25

Neraca Massa

tilik ruangdalam

komponenmassa

akumulasiLaju

tilik ruangdari

keluar komponen

massaLaju

kimiareaksi

akibatkomponen

n pembentukaLaju

tilik ruangke

masuk komponen

massaLaju


26/112

26

Neraca Massa Total

Volume = V

Densitas rata-rata = Akumulasi = d(V)/dt

Total input

(Qin

in)

Total output(Q

out

out)


27/112

27

Neraca Massa Komponen

Konsentrasi = C A

Volume = V

Laju reaksi = r A

Akumulasi = d(VC A

)/dt

Komponen

masuk

(Qin C

A,in)

Komponen keluar (Q

out C

A,out)


28/112

28

Neraca Massa Komponen A

dt

C V d C QV r C Q Aout Aout Ain Ain

)(,,


29/112

29

REAKSI ELEMENTER

P B A


30/112

30

Reaksi Elementer

Reaksi ini disebut reaksi elementer jika reaksi ini

terjadi akibat dari interaksi tunggal (misalnya:

tumbukan) antara molekul-molekul reaktan.

Laju tumbukan yang terjadi antara molekul A dan Bberbanding lurus dengan konsentrasi A dan B.


31/112

31

Reaksi Elementer

Memang, tidak seluruh tumbukan menghasilkanreaksi kimia, namun pada kondisi lingkungan yangtetap (temperatur, kuat medan listrik), jumlah

tumbukan yang menghasilkan reaksi kimia dapatterdefinisi dengan baik, sehingga laju reaksi kimiadapat dinyatakan dalam persamaan:

B AC kC r


32/112

32

TEORI KINETIKA REAKSIGASDigunakan untuk menurunkan dan menggambarkan

fenomena reaksi pada fasa gas.


33/112

33

Asumsi/Hipotesa

Keberlangsungan sebuah reaksi kimia memerlukanproses tumbukan antara molekul A dan B,walaupun tidak seluruh tumbukan menghasilkan

reaksi kimia. Persamaan laju reaksi:

Av

f C r r AB

•C AB adalah laju tumbukan antaramolekul A dan B (tumbukan per unit

volum per unit waktu)•f r adalah efisiensi reaksi (antara 0 dan1)

•bilangan Avogadro telah diperhitungkansehingga r memiliki satuan yang telahdinormalisasi, mol.m -3 detik -1 .


34/112

34

Molekul A dan B dapat dibayangkan sebagai bola masif yang memiliki radius RAdan RB. Molekul-molekul ini akan bertumbukan jika mereka mendekat hingga jarak(RA + RB). Teori kinetika gas ideal menyatakan :

B A AB

B A

B A AB C C Av

mm Av

mm RT C 2

2

2/18

di mana mA dan mB adalah massa molekul dan bersatuan kg/molekul.


35/112

35

Sehingga:

B A

B A

B A

B A

M M

M M

mm

mm Av

di mana :•M A dan M B adalah berat molekul A dan B dan

bersatuan kg/g-mol .• AB adalah diameter tumbukan yang harganya samadengan (R A + R B ).


36/112

36

Persamaan laju reaksi:

B AC kC r

r AB B A

B A f Avmm Av

mm RT k

2

2/18


37/112

37

P B A •Perhatikan bahwa tetapan laju reaksi k berharga positif,sehingga r berharga positif.•Dapat dilihat juga bahwa laju pembentukan A dan B , r A dan r

B

, berharga negatif.•Laju pembentukan P digambarkan dengan laju reaksipositif.

B A B A C kC r r

B A P C kC r


38/112

38

THING TO BE THOUGHT:

Laju pembentukan komponen selalu berhargapositif jika komponen tersebut dibentuk olehreaksi dan akan selalu berharga negatif jikakomponen tersebut terkonsumsi dalam sebuah

reaksi.


39/112

39

Reaksi tunggal

......0 Q P B A Q P B A M

0M adalah zero molecule, dan i adalah koefisien stoikiometri yang berharga positif

untuk produk dan berharga negatif untuk reaktan.


40/112

40

Contoh reaksi:

O H O H 222 22

O H O H M 222 220


41/112

41

Reaksi Elementer Reversibel

f

r

k

k A B P Q

Q P B A

Q P r B A f C C k C C k r

i B A

Q P

i

r

f

B A

Q P

i

C C

C C C

k

k K


42/112

42

Catatan untuk reaksi elementer

Sebagian besar reaksi bukanlah reaksi elementer.

Hampir seluruh reaksi-reaksi penting dalam industriadalah reaksi yang terjadi melalui mekanismekompleks.

Sering kali laju reaksi dari reaksi kompleksdigambarkan oleh model empiris yang sederhanasehingga mudah untuk mengimplementasikannyadalam analisis dan evaluasi unjuk kerja reaktor diindustri.


43/112

43

Catatan untuk reaksi elementer

Walaupun model-model mekanistis telahdikembangkan sejak awal abad ke 20, barukemudian pada era tahun 1970-an, seiring denganpesatnya perkembangan teknologi komputasi,model-model mekanistik mulai mendapat tempatdan digunakan dalam analisis unjuk kerja reaktor.

R k i U i l k l


44/112

44

Reaksi Unimolekular,

Orde Pertama

A

k kC r A Produk

4234238 HeThU

Contoh:

Reaksi ini terjadi secara spontan sebagai sebuah event tunggal yang berlangsung

dalam sebuah sistem reaksi kimia.


45/112

45

Contoh lain:

2433 H COCH OCH CH

•

Reaksi ini beorde pertama pada kondisi normal.• Tumbukan antar molekul diperlukan untuk menginsiasi

reaksi. Untuk itu diperlukan sebuah energi pengaktifantertentu yang digunakan oleh molekul untuk bertumbukantara satu dengan yang lainnya.

O d K d


46/112

46

Orde Kedua,

Satu Reaktan

2 Produk2 Ak kC r A

Laju reaksi pembentukan A adalah :

22 A A kC r

222 I H H k

I Contoh reaksi berorde dua:

O d K d


47/112

47

Orde Kedua,

Dua Reaktan

B AC kC r B A Produk

O H OCOCH H C COOH CH OH H C k 2352352

Contoh reaksi berorde kedua:


48/112

48

Tahap reaksi

Sebuah reaksi kompleks dapat direpresentasikan

oleh sejumlah besar reaksi elementer.

Setiap reaksi elementer biasanya disebut sebagai

tahap reaksi. Misalnya, reaksi:

terdiri dari 20 – 30 tahap reaksi.

O H COOCH 2224 22


49/112

49

Tahap reaksi

Setiap reaksi elementer memiliki ekspresi laju

reaksinya masing-masing.

Pada umumnya, persamaan kinetika reaksi

kompleks hanya dapat diturunkan melaluipercobaan.


50/112

50

Mode Reaktor Ideal

Reaktor Partaian (Batch Reactor)

Reaktor Kontinyu (Flow Reactor)

Reaktor Aliran Sumbat (Reaktor Pipa Ideal, Plug Flow

Reactor) Reaktor Tangki Ideal Kontinyu (Continous Stirred Tank

Reactor)


51/112

51

Reaktor Partaian

d(VC A

)/dt = r A

V


52/112

52

Reaktor Partaian

Reaktor partaian adalah sebuah reaktor yangtidak memiliki aliran masuk dan keluar reaktor.

Jumlah komponen di dalam reaktor dapat berubah

setiap saat selama reaksi berlangsung. Reaktor ini selalu bekerja dalam keadaan tak-

tunak (unsteady state).


53/112

53

Neraca Massa

•Neraca massa tak-tunak

•Selalu terdapat akumulasi massa• Akumulasi positif • Akumulasi negatif


54/112

54

Neraca Massa pada Reaktor Partaian

V r

dt

C V d A

A Pada reaktor ini tidak terdapat gradien temperatur

dan konsentrasi di dalam sistem reaksi. Temperatur

dan konsentrasi terdistribusi seragam di seluruh

bagian reaktor, namun konsentrasi akan selalu

berubah setiap saat.

A A A A r r C C ,


55/112

55

dt

dV C

dt

dC V V r A

A A

Sistem reaksi yang akan dibahas adalah sebuah sistem reaksi bervolum tetap,

sehingga dV/dt = 0. Asumsi ini dapat diambil jika media reaksi yang ditinjau

berfasa cair, sehingga selama reaksi berlangsung, volum media reaksi dapat

dianggap tetap.

dt

dC r A A

Persamaan Evaluasi

Reaktor Partaian

Persamaan Evaluasi


56/112

56

Persamaan Evaluasi

Reaktor Partaian

dt

dC r A A

A

Ao

r C

C A

A

t

r r

dC dt t

0

Ao A C C t ;0 pada

Jika diketahui:

•Kinetika reaksi

•Konsentrasi awal

•Konversi yang diinginkan

Waktu reaksi yang dibutuhkan dapatdihitung.

Contoh 1


57/112

57

Contoh 1

Reaksi Orde 1 Ireversibel

Ak

kC r P A

A A A kC r r

0 A A kC

dt

dC

kt Ao A eC C

kt

Ao

A eC

C

kt

Ao

A

A eC

C

X

11


58/112

58

Untuk reaktor bervolum tetap, berlaku:

A Ao

A Ao A A X C

V

X n

V

nC

1

1

A Ao A dX C dC

A A X k

dt

dX 1

dengan syarat awal: pada saat

t = 0, X A = 0

kt X A 1ln

Contoh 2


59/112

59

Contoh 2

Orde 2 Ireversibel

22/

2 2 A

k C

k r P A

2 A A kC r

02 A A kC

dt

dC

kdt C

dC

A

A 2

kdt

X C

dX

A Ao

A 21

kt X

X

C C C A

A

Ao Ao A

1

111

kt C C

C

Ao Ao

A

1

1


60/112

60

Studi Kasus

Sebuah reaksi dekomposisi fasa cair diselenggarakan pada sebuah reaktor

partaian. Reaktor (media reaksi) tidak mengalami perubahan volum selama reaksi

berlangsung.

0,1 mol/(L.menit)k A A B C r C

Perkirakan waktu reaksi yang dibutuhkan untuk mengkonversikan A sebesar 80%


61/112

61

Penyelesaian

Neraca massa:

A A A kC r r

masuk terbentuk keluar Akumulasi

0

A A

A

A

A A A AdC

kC dt

dC

kC dt


62/112

62

Akan sangat berguna untuk mengubah domain dari CA menjadi X A.

A Ao

A Ao A

A X C

V

X n

V

nC

1

1

A Ao AdC C dX

A A X k

dt

dX 1

Substitusikan ke persamaan perancangan reaktor partaian:

dengan syarat batas:

t = 0, X AO = 0


63/112

63

0,8

0

1

11

1ln 1 0,8

16,09 menit

A

A

A

A

dX kdt

X

dX t k X

t

k

t

Contoh 3


64/112

64

Contoh 3

Orde 2, Dua reaktan

B Ak

C kC r P B A

B A A C kC r

Integrasi langsung persamaan evaluasi reaktor partaian tidak mungkin dilakukan

karena sekarang laju pembentukan A tidak hanya bergantung pada konsentrasi A saja,

tetapi juga bergantung pada konsentrasi B.


65/112

65

(a) Pendekatan Stoikiometri

Dapat diketahui bahwa jumlah A yang terkonsumsi sama dengan jumlah B yangterkonsumsi, sehingga:

B Bo A Ao C C C C

A Ao Bo B C C C C

Ao Bo A A A C C C C k r 2

Persamaan evaluasi reaktor partaian dapat ditulis ulang menjadi:

02 Ao Bo A A A C C C C k dt

dC


66/112

66

Ao Ao Bo Bo Ao Bo

Ao

A

C kt C C C

C C

C

C

exp

Tidak mudah!

Dalam beberapa hal, beberapa pendekatan dan metoda bisa digunakan:• Transformasi Laplace

• Tabel integrasi

• Pendekatan numerik

( ) N


67/112

67

(b) Pendekatan Numerik

Persamaan evaluasi reaktor partaian diturunkan untuk komponen A dan B,menghasilkan dua buah persamaan diferensial biasa:

B A B

B A A C kC

dt dC C kC

dt dC ;

Sistem persamaan diferensial biasa ini dapat diselesaikan secara numerik dengan

mengintegrasikannya secara simultan menggunakan rutin ode23, ode23s dalam

MATLAB®. Nilai awal dari permasalahan ini adalah CA(0)=CAo, CB(0)=CBo.

S d


68/112

68

Studi Kasus

Sebuah reaksi berorde dua:

10 mol/(liter.jam)k A B A B P r C C diselenggarakan dalam sebuah reaktor partaian bervolum tetap. Konsentrasi awal A

dan B adalah:Cao = 0,75 mol/liter

CBO = 0,9 mol/liter

Perkirakan waktu reaksi yang dibutuhkan untuk mengkonversikan A sebesar 50%.

Mulai


69/112

69

Algoritma

Tebak waktu reaksi, TR

Integrasikan persamaan

neraca massa dari t=0

hingga t = TR.

- Masukkan: CA0, CB0, XA.

- Definisikan persamaan

evaluasi dari neraca massa.

- Hitung CA pada XA (CAR)

Evaluasi CA pada TR

CA=CAR ?

Tidak

Selesai

Ya

ode23

Proses Root-finding

P l i A li ik


70/112

70

Penyelesaian Analitik

exp

0,1027 jam

Bo Ao A

Ao Bo Bo Ao Ao

C C C

C C C C kt C

t

C h 3


71/112

71

Contoh 3.a

Reaksi bimolekular (A+B) diselenggarakan padareaktor batch. Derajat konversi terhadap A yangdapat dicapai dalam 6,4 jam adalah 99,5%.Reaksi diselenggarakan dengan ekses B sebesar

2%. Berapa waktu yang dibutuhkan untuk

mendapatkan konversi yang sama jika ekses Badalah 5%?

C h 3


72/112

72

Contoh 3.a.

A B C

0

0

0 0

0 0 0

0 0

Definisikan:

di mana 1

1

1

B

A

A A A A

B B A A

A B A A

C R RC

C C X C C X

C C C X C R X

r kC C kC X C R X

C h 3


73/112

73

Contoh 3.a.

0

2

0 0

0

0 0

0

1

1

ln 11

A A

A A A

X t

A

A

dC C dX

dC dX r C kC X R X

dt dt

dX kC dt

X R X

R X R kC t

R X


74/112

74

Jika R = 1,02; X = 0,995; t = 6,4 jam

Jika R = 1,05; X = 0,995; t = ?? jam

0ln 1

1 A

R X R kC t

R X

C t t tt H b St iki t i


75/112

75

Catatan ttg Hubungan Stoikiometri

Jika rA = rA(CA, CB, …), maka stoikiometri reaksi digunakan dalam penyelesaianmasalah dalam rangka mengeliminasi seluruh konsentrasi komponen, kecuali

komponen kunci dalam persamaan evaluasi. Hubungan stoikiometri secara umum

dapat diterangkan dengan konsep derajat reaksi:

i

i

B

B

A

A nnn

...

B

Bo B

A

Ao A C C C C

Pada media reaksi bervolumtetap

Persamaan Evaluasi untuk Reaksi


76/112

76

Berkomponen Banyak

Sebuah reaksi berkomponen banyak:

P B A 3

Persamaan kinetika laju reaksi:

2/1 B AC kC r

02/1 B A A C kC dt

dC

Persamaan evaluasi RTIK:

d th


77/112

77

..and then..

Jika sistem reaksi ini diselenggarakan pada sebuah reaktor bervolum tetap(berdensitas tetap), maka:

31

Bo B Ao A C C C C

Bo Ao A B C C C C 3Persamaan evaluasi reaktor partaian yang merupakan fungsi dari hanya satu

peubah, yakni CA.

Bo Ao A A A C C C kC

dt

dC 3



78/112

78


Pada sebuah reaktor di mana persamaan ini berlaku

di setiap lokasi dalam reaktor dikatakan sebagai

dalam keadaan terjamin secara stoikiometri lokal .

Seluruh reaktor partaian ideal, seperti halnya reaktorideal lainnya (RAS dan RTIK) dapat dikatakan

terjamin secara stoikiometri lokal.



79/112

79


Reaktor nyata dapat terjamin dan dapat pula tak terjaminsecara stoikiometri lokal.

Stoikiometri tidak dapat digunakan sebagai satu-satunya alat

untuk menerangkan neraca massa dalam sebuah sistem

dengan reaksi kimia karena sistem seperti ini memilikiketergantungan secara signifikan pada proses-proses difusi

molekular. Sehingga pendekatan umum yang selalu dapat

digunakan pada berbagai situasi adalah dengan menuliskan

neraca massa untuk seluruh komponen yang terlibat dalamsistem reaksi.

Contoh 4


80/112

80

Reaksi Paralel Ireversibel

S A

R A

k

k

2

1

t

C

CA

CR

CS

A A C k k r 21

AdC


81/112

81

021 A A C k k

dt

dC

t k k C

C

Ao

A21ln

Dengan mengamati evolusi konsentrasi A setiap saat, harga (k1 + k2)dapat diketahui dengan mengalurkan harga -ln(CA/CAo) terhadap t .

Koefisien arah dari kurva ini adalah (k1 + k2).

Untuk mengetahui harga masing k1 dan k2, evolusi perubahan

konsentrasi R dan S juga harus diamati. Dalam praktek, karena harga(CA+CR+CS) selalu tetap, cukup dua diantaranya yang diamati, karena

konsentrasi komponen ketiga dapat dihitung berdasarkan pengetahun

dua konsentrasi komponen lainnya.

P l j b t k R d S d t dit li b i b ik t


82/112

82

Persamaan laju pembentukan R dan S dapat ditulis sebagai berikut:

A

S

S

A R

R

C k dt

dC r

C k dt

dC r

2

1

Dengan membagi persamaan pertama dengan persamaan kedua diperoleh:

2

1k

k

dC

dC

r

r

S

R

S

R 2

1

k

k

C C

C C

SoS

Ro R

Integrasi

Mengevaluasi k dan k


83/112

83

Mengevaluasi k1 dan k2

Jika data (CR – CRo) dialurkan terhadap (CS – CSo),maka harga koesien arah kurva ini sama dengan

(k1/k2).

Dengan mengetahui harga (k1 + k2) dan harga

(k1/k2), maka harga k1 dan k2 dapat dihitung.

Evaluasi Reaksi Kompetitif


84/112

84

Evaluasi Reaksi KompetitifMengevaluasi (k1+k2)

t

- l n ( C A

/ C A o

)

Slope = (k 1+k 2)

Evaluasi Reaksi Kompetitif


85/112

85

Evaluasi Reaksi KompetitifMengevaluasi (k1/k2)

(CS-CSo)

( C R - C R o )

Slope = k 1/k 2

Contoh 4 a Reaksi Paralel


86/112

86

Contoh 4.a. Reaksi Paralel

Pengaruh selektifitas dapat menjadi penting jika orde

reaksi-reaksi paralel tsb berbeda.

1

2

1 1

22 2

reaksi utama reaksi samping

A B

A

A B C A A D

r k C C

r k C

Contoh 4 a Reaksi Paralel


87/112

87

Contoh 4.a. Reaksi Paralel

Selektifitas dapat juga didefinisikan sebagaiperbandingan antara laju r1 terhadap lajukonsumsi A total.

1

2

1

2

1

1 2

1 1 12

2 2 2

1

di mana:

r r

r r

A B B

A A

r S

r r

r k C C k C r k C k C

• Untuk meminimalkan byproduct

dalam reaktor partaian, ekses B dapat ditingkatkan, sehingga hargaC B /C A dapat diperbesar.

• Karena C A berkurang jauh lebihcepat dibandingkan dengan C B ,

selektifitas akan menjadi semakinbesar dengan berjalannya waktu.

Contoh 4 b Reaksi Konsekutif


88/112

88

Contoh 4.b. Reaksi Konsekutif

Persamaan neraca massa dibangun berdasarkan kinetikaorde pertama ireversibel:

1 2 A C D

1 1

2 2

A

C

r k C

r k C

• Neraca massa komponen A:

• Neraca massa komponen C:

C h 4 b R k i K k if


89/112

89


• Neraca massa komponen A:

• Neraca massa komponen C:

10

k t

A AC C e

1

2 1

1 2

2 1 0 0

1 0

2 1

pada 0; 0

C A C

k t C C A C

k t k t AC

dC k C k C

dt

dC k C k C e t C dt

k C C e e

k k

Contoh 4 b Reaksi Konsekutif


90/112

90


Komponen C akan mencapai harga maksimum,

pada saat t max.

2

2 1

1

2

max

2 1

1,max 0

2

ln

k

k k

C A

k

k t

k k

k C C

k

Evolusi Konsentrasi Komponen pada


91/112

91

Reaktor Partaian

K o n s e n t r a s i

A

C

D

k1t


92/112

92

SISTEM DENGAN VOLUMMEDIA REAKSI BERUBAH

TK3105 Teknik Reaksi Kimia

Volum Media Reaksi Berubah


93/112

93


Bentuk umum dari persamaan laju perubahan komponen ipada sebuah sistem yang bervolum tetap maupun bervolum

berubah adalah:

dt

dV C VdC

V dt

V C d

V dt

dn

V r iiii

i

111

dt

dV

V

C

dt

dC r iii


94/112

94

Pada reaktor di mana volume media reaksinyaberubah karena reaksi kimia, maka volume mediareaksi merupakan fungsi dari derajat konversi.

Untuk sistem isotermal dan isobar, pada sistemdimana volum media reaksi berubah selama reaksiberlangsung, berlaku:

ii

ii

iio

iiii

X

X C

X V

X n

V

nC

1

1

1

10

0


95/112

95

Pada sistem yang dapat dianggap sebagai gas ideal, volum molar masing-masing

komponen i berharga sama, sehingga:

RT V P n iii

dan jumlah mol total:

0

000

RT

V P n


96/112

96

Jika terdapat reaksi, maka jumlah total mol gas pada konversi A tertentu (X A):

0

0 0 00

; 1 A A A A

A A

nn n X n n n X

n

Jika dalam campuran gas terdapat senyawa inert yang tidak ikut bereaksi yang

jumlahnya nI- maka persamaan ini dapat ditulis ulang menjadi:

I

A A

A

I nn

n X nnn

0

00 1


97/112

97

A I

A

A

X nn

n

RT

V P

RT

PV

0

0

0

00 1

Untuk gas ideal:

0 1 A AV V X

0 0

0 0

; A A A I

n TP

n n T P

Sehingga, untuk komponen i berlaku:


98/112

98

Sehingga, untuk komponen i berlaku:

Dengan demikian, persamaan laju perubahan untuk

reaktan i pada sebuah sistem dimana volum media reaksi

berubah dapat ditulis sebagai berikut:

0

0

0 1

1

atau1

1

i

ii

i

i

i

ii

i

i

i

C

C

C

C

X X

X

C

C

dt

dX

X

C

dt

X d n

X V dt

dn

V r i

ii

ioiio

iio

ii

1

1

1

11


99/112

99

Dengan demikian, integrasi persamaan ini dapat memberikan

gambaran kinerja reaktor yang menyelenggarakan reaksi dimana

volum media reaksi berubah selama reaksi berlangsung.

i X

iii

ior X

dXiC t

01

Contoh 5 Orde nol


100/112

100

Contoh 5. Orde nol

P A k dt

dX

X

C r A

A A

Ao A

1

Integrasi persamaan ini menghasilkan:

A X

o A

Ao A A

A

Ao

A A

A Ao kt

V

V C X

C

X

dX C

0

ln1ln

1

Reaksi berorde nol


101/112

101

Reaksi berorde nol

Klarifikasi sebuah reaksi orde nol yang diselenggarakanpada sebuah sistem bervolum tak tetap dapat dilakukan

dengan mengalurkan data ln(1+ AX A) atau ln(V/V o)terhadap t.

Data ini valid jika kurva membentuk garis linear

dengan koefisien arah (k A/CAo).

Contoh 6: Proses Imaginer


102/112

102

Contoh 6: Proses Imaginer

Sebuah reaksi oksidasi etanol fasa gas:

122 5 2 2 4 2

2

1,89 mol/l.menit

atau

1,89 mol/l.menit

k

Eth

Eth

C H OH O C H O H O

r C

r C

diselenggarakan dalam sebuah reaktor partaian berpiston bertekanan

tetap 15 atm pada temperatur 400 oC. Perkirakan waktu yang dibutuhkan

untuk mengkonversikan etanol sebesar 60% jika laju reaksi berorde satudan dua. Diketahui volume reaktor mula-mula 10 liter. Campuran gas ideal

awal berupa 6%-mol etanol dalam udara (80% N2 + 20% O2).

…let’s imagine…


103/112

103

…let s imagine…

Gas ideal, sehingga jumlah mol mula-mula:

15 102,71 mol

0,082 273 400

O OO

O

P V n

RT

Jumlah mol etanol, nEth,O = 6% x 2,71 = 0,1626 mol

Konsentrasi etanol, CEth,O = 0,01626 mol/liter

Jumlah mol udara = 2,71 – 0,1626 = 2,5474 mol

Jumlah mol O2, nOxy = 0,2 x 2,5474 = 0,5095 mol

Jumlah mol N2, nNit = 0,8 x 2,5474 = 2,0379 mol

…and imagine, deeper!

O d


104/112

104

,

1

Eth o Eth Eth Eth

Eth Eth

C dX r kC

X dt

Karena volume sistem berubah setiap saat, maka persamaan ini dapat ditulis:

, , 11 1

Eth o Eth o Eth Eth Eth

Eth Eth Eth Eth

C kC X dX r

X dt X

0

ln 11

Eth X

Eth Eth

Eth

dX kt X

X

Integrasi

Orde satu!


105/112

105

ln 1 0,60,48 menit

1,89t

Orde dua !!


106/112

106

Orde dua !!

2

, 2 2

,

1

1 1

Eth o Eth Eth Eth Eth Eth o

Eth Eth Eth Eth

C dX X r kC kC

X dt X

,2

0

11ln 1

11

A X

Eth Eth Eth Eth Eth Eth Eth Eth o

Eth Eth

X X dX X kC t

X X

But it’s easy!


107/112

107

But it s easy!

120

0

2 1 0,16260,03

1 2,71

A Eth

Eth I

n

n n

,

11 ln 11

1 0,03 0,61

0,03ln 1 0,61,89 0,01626 1 0,6

47,1 menit

Eth Eth

Eth Eth

Eth o Eth

X t X kC X

t

t

Dasar Perancangan

R k P i


108/112

108

Reaktor Partaian

Ukuran dan jenis reaktor berdasarkan spesifikasioperasi dan tujuan obyektif perancangan.

Titik awal dari sebuah proses perancangan adalah

peneracaan massa, baik neraca massa totalmaupun neraca massa seluruh komponen.


109/112

109

tilik ruangdalam

komponenmassa

akumulasiLaju

kimiareaksi

akibatkomponen

n pembentukaLaju

A A

dt

dX nV r A AO A

A

X

A

A Ao

V r dX nt

0

Persamaan perancangan Reaktor

Partaian


110/112

110

0 XA

1 / ( - r A

) V

Luas bidang di bawah

kurva = t/n Ao

Volum Media Reaksi Tetap


111/112

111

p

A A

Ao

X C

C A

A

A

A

Ao r

dC

r

dX C t

0



112/112

112

A A X X

A A A

A Ao

A Ao A

A Ao

X r

dX C

X V r

dX nt

0 011

Reaktor 1 dan 2

Documents

Transcript of Reaktor 1 dan 2