n Biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal n Reaktor ini juga disebut sebagai reaktor alir pipa n Di dalam RAP, fluida mengalir dengan pola

Transkripsi

1 Kinetika dan Katalisis Semester Gasal 1/11 KINETIK REKSI HOMOGEN SISTEM REKTOR LIR Siti D iyar K holisoh PRODI TEKNIK KIMI - FTI UPN VETERN YOGYKRT Jum at, 3 Desember 1 PENGNTR Klasifikasi sistem reaktor (secara garis besar): n Batch reactor (BR) n Steady-state flow reactor: a) Plug flow reactor, dan b) Mixed flow reactor n Unsteady-state flow or semibatch reactor Batch Reactor (BR) BR Uniformly mixed n Biasanya dimodelkan sebagai reaktor tangki berpengaduk. n Reaktan mula-mula dimasukkan sekaligus ke dalam sebuah wadah yang dilengkapi dengan sistem pengadukan yang baik (well mixed) n Reaksi dibiarkan berlangsung selama periode waktu tertentu sampai dicapai tingkat konversi yang diinginkan Plug Flow Reactor (PFR) n Biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal tubular, atau unmixed flow reactor. n Reaktor ini juga disebut sebagai reaktor alir pipa (RP) ini biasanya dipakai untuk proses alir/kontinyu tanpa pengadukan. n Di dalam RP, 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. n Biasanya diasumsikan tidak ada difusi arah aksial maupun pencampuran balik (backmixing). Continuous Stirred Tank Flow Reactor (CSTFR) n Reaktor ini disebut juga mixed flow reactor atau reaktor alir tangki berpengaduk (RTB) n Pada reaktor jenis ini, reaktan dimasukkan secara kontinyu ke dalam reaktor. n Pada saat yang bersamaan juga ada hasil reaksi yang dikeluarkan dari reaktor secara kontinyu dengan kecepatan massa yang sama. Umpan atau reaktan Umpan reaktan Uniformly mixed RP RTB Produk atau hasil reaksi Produk atau hasil reaksi 1

2 Semibatch Reactor n Biasanya berbentuk tangki berpengaduk n 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 n tau reaktan dimasukkan sekaligus dan hasil reaksinya dapat dikeluarkan secara kontinyu sampai konversi yang diinginkan Perbandingan (Reaktor) Sistem Batch dan Sistem lir Tinjauan Batch lir Neraca massa & panas Bentuk reaktor (tipikal) Tabel stoikiometri reaksi Waktu (reaksi, tinggal) Keadaan (awal-akhir, masuk-keluar) Pernyataan untuk konsentrasi zat Sistem varying volume/ density BTCH VERSUS CONTINUOUS OPERTION No Operasi batch Operasi kontinyu 1. Biasanya lebih baik untuk produksi volume kecil(). Lebih fleksibel untuk operasi multi produk(multi proses) () 3. Biaya modal biasanya relatif rendah() 4. Mudah diberhentikan dan membersihkan pengotor() Lebih baik untuk produksi jangka panjang dari satu produk atau sejumlah produk () Biaya modal biasanya relatif tinggi (D) BTCH VERSUS CONTINUOUS OPERTION (lanjutan) 5. Memerlukan waktuberhenti (pengosongan, pencucian, dan pengisian) antar batch (D) 6. Biaya operasi dapat menjadi relatif tinggi (D) 7. Operasi tidak ajeg berarti lebih sukar mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (D) Tidak memerlukan waktu berhenti kecuali untuk perawatan terjadwal dan emergensi(); tetapi kehilangan produksi pada penghentian lama dapat menjadi mahal(d) Biaya operasi relatif rendah () Operasi ajeg berarti lebih mudah mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi() Space Time versus Holding Time n Space time: time needed to treat one reactor volume of feed: V C V τ = = Q F n Holding time: mean residence time of flowing material in the reactor: X dx t = C ( r ) (1 ) + ε X For constant density system (all liquid and constant density gases): V τ = t = Q Untuk sistem varying density (secara umum): ( ) V V 1 X = +ε V volume sistem reaksi ( ) Q = Q + ε X 1 (batch) (alir) Q laju alir volume (debit) P tekanan total sistem reaksi T suhu absolut sistem reaksi Pada sistem alir: V volume reaktor

3 CONTOH SOL: Gas murni pada 3 atm dan 3 o C (1 mmol/liter) diumpankan ke dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk yang bervolume 1 liter, pada berbagai laju alir yang berbeda. Reaksi yang terjadi: 3 R dan konsentrasi yang keluar reaktor di ukur pada setiap variasi laju alir tersebut. Dari data berikut, tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi penguraian )! Hasil perhitungan: sumsi: Hanya reaktan yang mempengaruhi kecepatan reaksi Jadi: -r = k C Contoh Soal Kinetika Reaksi Homogen pada Steady-State PFR ## Reaksi homogen fase gas ireversibel elementer: + B R berlangsung dalam sebuah reaktor alir pipa steady-state pada kondisi isotermal. Reaktor bervolume,1 liter dan percobaan dilakukan dengan mengukur konsentrasi yang keluar reaktor pada berbagai variasi laju alir volumetrik umpan (Q ), dengan data sbb.: Hasil Perhitungan: Harga k, dengan metode k-averaging: Percobaan Q (liter/ jam) C (mmol/ liter) ,1 66 3, ,5 33 Umpan reaktor mengandung dan B dengan perbandingan ekuimolar. Jika konsentrasi di dalam umpan tetap, sebesar C = 1 mmol/liter, tentukan persamaan laju reaksinya. I = X (1 + ε X ) (1 ) X d X X I =,5 ln(1 X ) +,5X +,5 1 X tau, jika harga k dihitung dengan metode grafik: Jadi, persamaan laju reaksinya adalah: r =,34 C C Jangan lupa, tuliskan satuannya! B Problem 14-6, Missen, 1999 pure gaseous reactant is fed at a steadystate (q ) of 3 L h -1 and a concentration (C ) of,1 mol L -1 into an experimental CSTR of volume (V),1 L, where it undergoes dimerization ( ). If the steady-state outlet concentration (C ) is,857 mol L -1, and if there is no change in T or P, calculate: (a) The fractional conversion of (b) The oulet flow rate (c) The rate of reaction, -r, mol L -1 h -1 (d) The space time based on the feed rate 3

4 F rom : Problem 14-13, M issen, 1999 Determine the rate constant of a firstorder reaction: P, conducted in a steady-state CSTR (V = 37 L), given that q = 5 L s -1, the density of the system is constant, C = 4 mol L -1, and X = 65% Problem 4-11 (Smith, nd ed, 197, page 197) The following conversion data were obtained in a tubular-flow reactor for the gaseous pyrolysis of acetone at 5 o C and 1 atmosphere. The reaction is: CH 3 COCH 3 CH =C=O + CH 4 The reactor was 8 cm long and had an inside diameter of 3,3 cm. What rate equation is suggested by these data? Flow rate, g/hr 13, 5, 1, 1,8 Conversion of acetone,5,13,4,35 Example 4-3: Smith, 197 Reaksi homogen fase-uap/gas: CH 4 + S CS + H S berlangsung dalam sebuah RP (V = 35, ml). Sebuah percobaan pada 6 o C dan 1 atm; dengan waktu tinggal 1 menit menghasilkan,1 g CS. Laju alir uap S :,38 gmol/jam (steady-state). (a) Berapakah r, dinyatakan dalam gmol CS dihasilkan/jam/ml volume reaktor. (b) Kecepatan pada 6 o C: r = k p CH4 p S (atm). Hitung specific reaction rate, dalam gmol/(ml.atm.jam). F CH4, =,119 gmol/jam. F CS, = F HS, =. Soal (Smith, 197): ## Studi kinetika dekomposisi fase-gas asetaldehida pada 518 o C dan 1 atm: CH 3 CHO CH 4 + CO dalam sebuah reaktor alir pipa isotermal (ID = 3,3 cm, L = 8 cm). Reaksi ini berorde satu. Jika umpan berupa asetaldehida murni yang dialirkan dengan laju 5 g/jam menghasilkan 13% konversi asetaldehida, berapakah nilai konstanta laju reaksinya? ** The decomposition of ozone (O 3 ) to produce oxygen (O ) observes the following stoichiometry: 3 R The apparent rate law (derived using the pseudo-equilibrium approximation) is: C r = k C R The reaction is carried out in a, L CSTR at constant temperature and pressure. When pure is fed at 1, L/min, the flow rate out of the reactor is 1,3 L/min. (a) Calculate X, the fractional conversion of, under these conditions. (b) Derive expressions for C and C R in terms of X and constant parameters. (c) Estimate the value of the rate constant k and give its units. Pure (gas) is fed at 5, L/s (5 C, 1, atm) into a well-mixed CSTR (1 L), maintained at C,, atm, in which the following reaction occurs: R. The disappearance of follows first-order kinetics, and the exit stream contains 15 mol%. Estimate: (a) the rate of reaction, -r (mol/l-s), and (b) the apparent first-order rate constant, k (s -1 ). 4

5 ## Consider the homogeneous, gas-phase reaction: + B R + S. The rate of reaction is first-order with respect to and zero-order with respect to B. The feed contains 4 mol% and 6 mol% B and is fed to a 1, L PFR at 1 L/s, 5 C, 1, atm. The PFR is operated at 15 C, 1, atm. t steady state, the exit stream is found to contain mol%. (a) For the PFR run cited above, calculate the fractional conversion of. (b) For this feed, what is the maximum possible fractional conversion of? Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-gas: + B R + S Umpan yang dialirkan ke dalam sebuah reaktor alir (kontinyu) mengandung 4%-mol dan 6%-mol B. Pada keadaan steady, aliran keluaran reaktor mengandung %-mol. (a) Untuk reaktor yang digambarkan tersebut di atas, hitunglah konversi (X )! (b)untuk umpan ini, berapakah konversi maksimum yang mungkin dicapai? ** Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair: P, dengan persamaan kinetika hukum pangkat. Percobaan reaksi dilakukan dengan memvariasikan laju alir ke dalam sebuah CSTR. Pengukuran pada keadaan steady dilakukan pada laju alir yang berbeda dan pada suhu yang sama. Jika: V = 1 liter dan C =,1 molar, serta diperoleh data sbb.: Laju alir (liter/detik) C (molar),5,7 1,5,59 (a) Tentukan orde reaksi ini! (b) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksi pada suhu ini? Jangan lupa, tuliskan juga satuannya. ** Gas murni diumpankan dengan laju alir 5 liter/detik (pada 5 o C, 1 atm) ke dalam sebuah wellmixed CSTR (bervolume 1 liter) yang dijaga pada kondisi o C dan atm, dengan reaksi homogen: R. Jika laju reaksi berkurangnya mengikuti model kinetika berorde satu, dan aliran keluaran reaktor mengandung 15%-mol : (a) Berapakah nilai kecepatan reaksi berkurangnya, -r (dalam mol/liter.detik)? (b)berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya (dalam detik -1 )? Umpan gas (6 o C, 1 atm) yang mengandung 5%- mol dan tidak mengandung R dialirkan ke dalam sebuah CSTR ( liter) yang beroperasi pada T dan P yang sama. Reaksi homogen yang berlangsung adalah: R, dengan laju reaksi berorde dua. Pada laju alir umpan sebesar 5 liter/ menit, terkonversi sebesar 8%. (a) Berapakah laju alir yang diperlukan untuk mencapai konversi sebesar 9%? (b)berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya? (Jangan lupa, tuliskan juga satuannya) Reaksi homogen fase-cair: P berlangsung dengan mengikuti bentuk kinetika berorde dua. Reaksi dilangsungkan dengan mengumpankan (pada konsentrasi,1 molar) ke dalam sebuah steady-state plug flow reactor (bervolume 1 liter). Pada laju alir umpan sebesar 1 liter/ menit, 75% terkonversi. (a) Perkirakan nilai konstanta kecepatan reaksinya! (Tuliskan juga satuannya) (b)berapakah yang terkonversi jika laju alir umpan diperbesar menjadi 3 liter/menit? 5

6 Soal Latihan Nomor 58 ** Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair dengan skema kinetika berikut: B + C r B = k 1 C + C D r D = k C C C Reaksi berlangsung dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk isotermal pada steady-state, dengan C = 3 mol/l dan tidak ada B, C, dan D di dalam umpan. Jika reaktor dioperasikan pada waktu tinggal, τ, sebesar 1 menit, dan konsentrasi dan B yang keluar reaktor masing-masing sebesar C = 1,5 mol/l dan C B = 1,5 mol/l, hitunglah: (a) harga k 1 dan k (beserta satuannya) (b) C C dan C D keluar reaktor. Sebuah plug flow reactor (V = m 3 ) mereaksikan umpan berupa cairan (1 liter/menit) yang hanya mengandung reaktan (C = 1 mmol/liter). Reaksi ini berlangsung reversibel: R, dengan: r = menit C menit C 1 1 (, 4 ) (, 1 ) R Tentukan nilai konversi kesetimbangan reaksi ini (X e ), dan selanjutnya tentukan nilai konversi aktual (X ) keluaran reaktor! 6