KINETIKA REAKSI HOMOGEN PADA SISTEM REAKTOR ALIR

  PRODI TEKNIK KIMIA - FTI UPN “VETERAN” YOGYAKARTA Kamis, 9 Juni 2011 Kinetika dan Katalisis Semester Genap 2010/2011 PENGANTAR ! "

  Batch Reactor (BR)

  Biasanya dimodelkan sebagai reaktor tangki berpengaduk. Reaktan mula-mula dimasukkan sekaligus ke dalam sebuah wadah yang dilengkapi dengan sistem pengadukan yang baik

  (well mixed)

  Reaksi dibiarkan berlangsung selama periode waktu tertentu sampai dicapai tingkat konversi yang diinginkan

  BR Uniformly mixed

  Plug Flow Reactor (PFR)

  Biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal tubular , atau unmixed flow reactor. Reaktor ini juga disebut sebagai reaktor alir pipa (RAP) ini biasanya dipakai untuk proses alir/kontinyu tanpa pengadukan. Di dalam RAP, fluida mengalir dengan pola seperti plug flow (aliran sumbat). Fluida mengalir di dalam pipa dengan arah yang sejajar dengan sumbu pipa, dengan kecepatan yang sama di seluruh penampang pipa. Biasanya diasumsikan tidak ada difusi arah aksial maupun pencampuran balik (backmixing).

  Continuous Stirred Tank Flow Reactor (CSTFR)

  Reaktor ini disebut juga mixed flow reactor atau reaktor alir tangki berpengaduk (RATB) Pada reaktor jenis ini, reaktan dimasukkan secara kontinyu ke dalam reaktor.

  Pada saat yang bersamaan juga ada hasil reaksi yang dikeluarkan dari reaktor secara kontinyu dengan kecepatan massa yang sama.

  Umpan atau reaktan Produk atau hasil reaksi

  Uniformly mixed Produk atau hasil reaksi

  Umpan reaktan

BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION

  Semibatch Reactor

  Biasanya berbentuk tangki berpengaduk Pada pengoperasian reaktor jenis ini, sebagian reaktan atau salah satu reaktan dimasukkan ke dalam reaktor, sedangkan reaktan yang lain atau reaktan sisanya dimasukkan secara kontinyu dan produk reaksi dibiarkan di dalam reaktor Atau reaktan dimasukkan sekaligus dan hasil reaksinya dapat dikeluarkan secara kontinyu sampai konversi yang diinginkan

  No Operasi batch Operasi kontinyu

  1. Biasanya lebih baik untuk produksi volume kecil (A) Lebih baik untuk produksi jangka panjang dari satu produk atau sejumlah produk (A)

  2. Lebih fleksibel untuk operasi multi produk (multi proses) (A)

  3. Biaya modal biasanya relatif rendah (A) Biaya modal biasanya relatif tinggi (D)

  4. Mudah diberhentikan dan membersihkan pengotor (A)

  5. Memerlukan waktu- berhenti (pengosongan, pencucian, dan pengisian) antar batch (D)

  Tidak memerlukan waktu berhenti kecuali untuk perawatan terjadwal dan emergensi (A); tetapi kehilangan produksi pada penghentian lama dapat menjadi mahal (D)

  6. Biaya operasi dapat menjadi relatif tinggi (D) Biaya operasi relatif rendah (A)

  7. Operasi tidak ajeg berarti lebih sukar mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (D)

  Operasi ajeg berarti lebih mudah mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (A)

  BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION (lanjutan) A A C

STEADY-STATE MIXED FLOW REACTOR

  X A A A A A dX t C r

  A A A = − − −

  V V Q F τ

  A

  Pada berbagai ε

  1 − = = = = τ

  V s

  V Q

  X C F C

  − = = ∆ τ A A A A A r

  V − =

  X C F

  X r

  X F A A A − = A A A A A A r

  X F 1 ( F A A A A = − − − − V ) r (

  V ) r ( )

  = 0, maka: V ) r ( F F

  X ε =

  Jika X A0

  Peneracaan massa sistem (mol/waktu): Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi

  V ≡ volume sistem reaksi Q ≡ laju alir volume (debit) P ≡ tekanan total sistem reaksi T ≡ suhu absolut sistem reaksi Pada sistem alir: V ≡ volume reaktor

  

(batch)

(alir)

  X P T ε = +

  Q Q 1 A A P T

  = = ( ) (1 ) A

  X P T ε

  V V

  1 A A P T

  ( )

  τ = = Untuk sistem varying density (secara umum):

  V t Q

  − + ∫

  = + ( )

  Hasil perhitungan: CONTOH SOAL: Dalam hal ini, X dan r diukur pada aliran keluar A A o reaktor (sama dengan kondisi di dalam reaktor)

  Gas A murni pada 3 atm dan 30 C (120 mmol/liter) diumpankan ke dalam sebuah reaktor alir tangki

  X C C VA A A berpengaduk yang bervolume 1 liter, pada berbagai Jika = 0, maka:

  ε = = A

  F r C r laju alir yang berbeda. Reaksi yang terjadi: A →

  3 R − −

  A A A ( ) A dan konsentrasi A yang keluar reaktor di ukur pada setiap variasi laju alir tersebut. Dari data berikut,

  −

  V C

  X C C A A A A atau:

  = = = τ tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi

  Qrr A A penguraian A)! Keterangan: space-time , yakni waktu yang dibutuhkan oleh

  τ ≡ proses untuk mereaksikan satu volume reaktor, dengan umpan tertentu, pada kondisi tertentu s space-velocity (1/ )

  ≡ τ Asumsi: Hanya reaktan A yang mempengaruhi 2 Jadi: -r = k C A A kecepatan reaksi

STEADY-STATE PLUG FLOW REACTOR

  Jika X = 0 dan diintegralkan untuk keseluruhan A0 Pada constant-density system ( = 0):

  εεεε A volume reaktor V:

  X Af C Af Pada plug flow reactor (PFR), komposisi fluida

  X 1 d C τ

  V Af A A berubah/bervariasi terhadap posisi aksial (sepanjang d V d

  X V d

  X = = = −

  A ∫ ∫

  F C r C r =

  A AA AA pipa). Neraca massa (mol/waktu) dalam elemen volume

  C A ∫ ∫

  F r

  A A diferensial dV:

  X C Af Af

  X Af V d X d C

  A A Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi

  V d

  X C τ A τ = = = −

  A ∫ ∫

  = = ∫

  Q r rAA

  C A F – (F + dF ) – ( r ) dV = 0 F C r

  A A AA

  A A A

  X Af Karena: dF = d{F (1 – X )} = F dX

  A A0 AA0 A

  V V C d

  

X

A A (Silakan Anda jabarkan sendiri untuk kasus-kasus

  C = = = τ A

  ∫ maka: F – F + F dX = ( r ) dV

  A A A0 AA Q Fr reaksi homogen sederhana, seperti: reaksi searah

  A A orde satu, orde dua, dsb) atau: F dX = (r ) dV

  A0 A A εεεε

  Perhatikanlah bahwa: ! " ## 3 "

  Harga kecepatan reaksi (-r ) di dalam A reaktor:

!"#

  Konstan, pada SS mixed flow reactor

$

  Bervariasi sepanjang reaktor, pada SS plug % "

  ! flow reactor

  % (

  • !

  , &

  • X Keterangan:
    • $
    • A (1 X ) 2 ε A A '

      X ≡ konversi reaktan A keluar reaktor (final) I d X

      Af = A 2

      ∫ # #! -.

      " (1 − X ) A

      C Af ≡ konsentrasi molar reaktan A keluar reaktor

    • ( ) #!! "

      / 0"#

      11 !

      (final)

      X A 2 /". .!

      I = − 0, 5 ln(1 −

      X A 0, 25

      X A ) 0, 25 + +

      1 X #".

      22 − A

      Atau, jika harga k dihitung dengan metode grafik : A pure gaseous reactant A is fed at a steady-

    • 1

      state (q ) of 30 L h and a concentration (C A0 ) of

    • 1

      0,1 mol L into an experimental CSTR of volume (V) 0,1 L, where it undergoes Determine the rate constant of a first- dimerization (2 A A ). If the steady-state

      2 order reaction: A P, conducted in a

    • 1

      outlet concentration (C ) is 0,0857 mol L , and A steady-state CSTR (V = 3700 L), given if there is no change in T or P, calculate:

    • 1

      that q = 5 L s , the density of the system (a) The fractional conversion of A

      Jadi, persamaan

    • 1

      is constant, C = 4 mol L , and X = 65% A0 A laju reaksinya

      (b) The oulet flow rate adalah:

    • 1 -1

      (c) The rate of reaction, -r , mol L h A r 0, 304 C C Jangan lupa, tuliskan satuannya…!

      − = A A B

      (d) The space time based on the feed rate

      3 . Kesetimbangan reaksi ini tercapai pada rasio C

      /C A0

      /

      ' ,)/ 1 7 + % " + + #

      8

      9

      #/

      : % ; + + %

      Pengoperasian reaktor dengan waktu tinggal τ = 1,07 jam menghasilkan rasio C A

      /

      A0 = 0,20.

      Soal Latihan Nomor 16: Reaksi homogen fase-cair bolak-balik:

      2 A ⇔ ⇔ ⇔ ⇔ B berlangsung dalam sebuah RATB steady. Umpan reaktor berupa A dan B dengan konsentrasi: C

      A0 = 1,5 mol/m

      3 dan C

      B0 = 0,5 mol/m

      ' - $

      5 6 %

      #

      = 0,60. Jika reaksi tersebut di atas elementer, berapakah nilai k

      Contoh Soal (RATB, reversible): ⇔ ⇔ ⇔ ⇔

      #$ % &

      #

      ' (( ()*%

      ,- &

      A /C

      #$

      #/

      ' / 2

      1

      /

      ' /3% $

      , -

      → → → →

      ' ./*% " + # 01

    4 Soal Latihan Nomor 12:

    • 4

      8 % / ,/ / ,2 / -/ / </

    • # A
    • 1
      • 2 ,./ 1% " + +
      • # (( )* << &lt
      • ' ,/
      • >' ./*
      • 2 ,./ 1 %

      :

      1

      #

      ' , 2 : 1 ' , - : %

      > , -

      Contoh Soal (RATB, paralel, variable-density):

      # ? @

      

    #$ +

      % B 8 + ' ,//

      <

      ' ), .<*

      & #

      τ

      Soal Latihan Nomor 21: Dekomposisi dimethyl ether (CH

      3 )

      2 O (E) menjadi CH

      4 , H

      2 , dan CO merupakan reaksi irreversible berorder satu. Reaksi ini dilangsungkan dalam sebuah PFR steady (V

      R = 23,3 m

      3 ). Umpan reaktor yang berupa eter murni masuk pada 504 o

      C dan 1 bar (reaktor beroperasi pada T dan P tetap), dengan laju alir 0,1 mol/detik. Jika 60% eter terkonversi pada aliran keluar reaktor, berapakah konstanta kecepatan reaksi pada kondisi ini?

      ' ,2 #

      ;/

      ' / % = + +

      1

      $

      1 dan k

      2 ? Tuliskan juga satuannya.

      '

      ,

      1

      # → → → → ;

      ' -

      #

      1

      $

      #$

      1

      #/

      ' < :

      1

      /

      ' 1

      1/

      ' 1

      Soal Latihan Nomor 15: → → → →

      nd Problem 4-11 (Smith, 2 ed, 1970, page 197)

      Soal Latihan Nomor 36: Soal (Smith, 1970):

      The following conversion data were obtained in a Reaksi homogen fase-gas: A

    3 B

      → → → → Studi kinetika dekomposisi fase-gas asetaldehida tubular-flow reactor for the gaseous pyrolysis of o berorde dua dan berlangsung pada suhu o acetone at 520 C and 1 atmosphere. The reaction is: pada 518 C dan 1 atm: CH CHO CH + CO

      3

      4 dan tekanan tetap. Untuk umpan CH COCH CH =C=O + CH

      3

      3

      2

      

    4

    dalam sebuah reaktor alir pipa isotermal (ID = 3,3

    3 The reactor was 80 cm long and had an inside diameter

      dengan laju alir 4 m /jam berupa A cm, L = 80 cm). Reaksi ini berorde satu. Jika of 3,3 cm. What rate equation is suggested by these o murni pada 5 atm dan 350

      C, sebuah umpan berupa asetaldehida murni yang dialirkan data? dengan laju 50 g/jam menghasilkan 13% konversi reaktor pilot-scale berupa pipa dengan

      Flow rate, g/hr 130,0 50,0 21,0 10,8 asetaldehida, berapakah nilai konstanta laju

      ID = 2,5 cm dan L = 2 m menghasilkan Conversion of acetone 0,05 0,13 0,24 0,35 reaksinya?

      60% konversi A. Berapakah konstanta kecepatan reaksi ini? Example:

      Example 4-3: Smith, 1970 Example:

      The decomposition of ozone (O 3 ) to produce oxygen (O 2 ) observes

      Reaksi homogen fase-uap/gas:

      the following stoichiometry: 2 A

      3 R CH + 2 S CS + 2 H S

      Pure A (gas) is fed at 50,0 L/s (25°C, 1,0 atm) into a

      4

      2

      2

      2

    2 The apparent rate law (derived using the pseudo-equilibrium

      berlangsung dalam sebuah RAP (V = 35,2 ml). C

      approximation) is: A well-mixed CSTR (1000 L), maintained at 200°C,

      r k o − = A

      Sebuah percobaan pada 600 C dan 1 atm; C R

      2,0 atm, in which the following reaction occurs:

      dengan waktu tinggal 10 menit menghasilkan

      The reaction is carried out in a 2,0 L CSTR at constant temperature

      A

      2R. The disappearance of A follows first-order 0,10 g CS . Laju alir uap S : 0,238 gmol/jam

      2 2 and pressure. When pure A is fed at 1,00 L/min, the flow rate out kinetics, and the exit stream contains 15 mol% A.

      (steady-state). (a) Berapakah r, dinyatakan of the reactor is 1,30 L/min. dalam gmol CS dihasilkan/jam/ml volume

    2 Estimate:

      (a) Calculate X , the fractional conversion of A, under these

      o A reaktor. (b) Kecepatan pada 600

      C: r = k p CH4 conditions.

      (a) the rate of reaction, -r (mol/L-s), and

      A p (atm). Hitung specific reaction rate, dalam

      S2

      2

      (b) Derive expressions for C and C in terms of X and constant A R A

    • 1 gmol/(ml.atm .jam). F = 0,119 gmol/jam.

      CH4,0 (b) the apparent first-order rate constant, k (s ).

      parameters.

      F = F = 0.

      CS2,0 H2S,0 (c) Estimate the value of the rate constant k and give its units.

      Example: Example:

      Example:

      Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-gas: Consider the homogeneous, gas-phase reaction:

      Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair: A P, dengan A + 2 B R + S.

      A + 2 B R + S persamaan kinetika hukum pangkat. Percobaan reaksi

      dilakukan dengan memvariasikan laju alir ke dalam sebuah The rate of reaction is first-order with respect to A and

      Umpan yang dialirkan ke dalam sebuah reaktor alir

      CSTR. Pengukuran pada keadaan steady dilakukan pada 2

      zero-order with respect to B. The feed contains 40 mol% A (kontinyu) mengandung 40%-mol A dan 60%-mol B. laju alir yang berbeda dan pada suhu yang sama. Jika: V = 10 and 60 mol% B and is fed to a 10,0 L PFR at 1 L/s, 25 °C,

      Pada keadaan steady, aliran keluaran reaktor liter dan C A0 = 0,10 molar, serta diperoleh data sbb.:

      1,0 atm. The PFR is operated at 150 °C, 1,0 atm. At steady mengandung 20%-mol A.

      Laju alir (liter/detik) C (molar) A state, the exit stream is found to contain 20 mol% A.

      0,5 0,027 (a) Untuk reaktor yang digambarkan tersebut di atas,

      (a) For the PFR run cited above, calculate the fractional 1,5 0,059 hitunglah konversi A (X )!

      A conversion of A.

      (a) Tentukan orde reaksi ini! (b)Untuk umpan ini, berapakah konversi

      (b) For this feed, what is the maximum possible fractional (b) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksi pada suhu

      maksimum A yang mungkin dicapai?

      conversion of A? ini? Jangan lupa, tuliskan juga satuannya.

      Example: Example: Example: o Gas A murni diumpankan dengan laju alir 50 Umpan gas (60

    C, 1 atm) yang mengandung 50%- Reaksi homogen fase-cair: A P berlangsung

      o

      liter/detik (pada 25

    C, 1 atm) ke dalam sebuah well- mol A dan tidak mengandung R dialirkan ke dalam dengan mengikuti bentuk kinetika berorde dua.

      mixed CSTR (bervolume 1000 liter) yang dijaga pada sebuah CSTR (20 liter) yang beroperasi pada T dan P Reaksi dilangsungkan dengan mengumpankan A o

      kondisi 200 C dan 2 atm, dengan reaksi homogen: yang sama. Reaksi homogen yang berlangsung (pada konsentrasi 0,12 molar) ke dalam sebuah A

      2 R. Jika laju reaksi berkurangnya A mengikuti adalah: A 2 R, dengan laju reaksi berorde dua. steady-state plug flow reactor (bervolume 10 liter).

      model kinetika berorde satu, dan aliran keluaran Pada laju alir umpan sebesar 5 liter/ menit, A Pada laju alir umpan sebesar 1 liter/ menit, 75% A reaktor mengandung 15%-mol A: terkonversi sebesar 80%. terkonversi.

      (a) Berapakah nilai kecepatan reaksi berkurangnya, -r (a) Berapakah laju alir yang diperlukan untuk (a) Perkirakan nilai konstanta kecepatan reaksinya!

      A (dalam mol/liter.detik)? mencapai konversi A sebesar 90%? (Tuliskan juga satuannya)

      (b)Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya (b)Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya? (b)Berapakah A yang terkonversi jika laju alir

    • -1

      (dalam detik )? (Jangan lupa, tuliskan juga satuannya) umpan diperbesar menjadi 3 liter/menit?