Kinetika dan Katalisis Semester Genap / KINETIK REKSI HOMOGEN PD SISTEM REKTOR LIR Siti Diyar Kholisoh PRODI TEKNIK KIMI - TI UPN ETERN YOGYKRT Kamis, 9 Juni PENGNTR Klasifikasi sistem reaktor (secara garis besar): Batch reactor (BR) Steady-state flow reactor: a) Plug flow reactor, dan b) Mixed flow reactor Unsteady-state flow or semibatch reactor Batch Reactor (BR) BR Uniformly mixed 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 Plug low Reactor (PR) Biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal tubular, atau unmixed flow reactor. Reaktor ini juga disebut sebagai reaktor alir pipa (RP) ini biasanya dipakai untuk proses alir/kontinyu tanpa pengadukan. Di dalam RP, fluida mengalir dengan pola seperti plug flow (aliran sumbat). luida 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). ontinuous Stirred Tank low Reactor (STR) Reaktor ini disebut juga mixed flow reactor atau reaktor alir tangki berpengaduk (RTB) 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 Umpan reaktan Uniformly mixed RP RTB Produk atau hasil reaksi Produk atau hasil reaksi
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 tau reaktan dimasukkan sekaligus dan hasil reaksinya dapat dikeluarkan secara kontinyu sampai konversi yang diinginkan BTH ERSUS ONTINUOUS OPERTION No Operasi batch Operasi kontinyu. Biasanya lebih baik untuk produksi volume kecil() Lebih baik untuk produksi jangka panjang dari satu produk atau sejumlah produk (). Lebih fleksibel untuk operasi multi produk(multi proses) () 3. Biaya modal biasanya relatif rendah() 4. Mudah diberhentikan dan membersihkan pengotor() Biaya modal biasanya relatif tinggi (D) BTH ERSUS ONTINUOUS 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 Space time: time needed to treat one reactor volume of feed: τ Q Holding time: mean residence time of flowing material in the reactor: d t ( ) ( ) + ε or constant density system (all liquid and constant density gases): τ t Q Untuk sistem varying density (secara umum): ( ) +ε volume sistem reaksi ( ) Q Q + ε (batch) (alir) Q laju alir volume (debit) P tekanan total sistem reaksi T suhu absolut sistem reaksi Pada sistem alir: volume reaktor STEDY-STTE MIED LOW RETOR Peneracaan massa sistem (mol/waktu): Input Output Berkurang karena reaksi kumulasi Jika, maka: ( r ) ( ) ( r ) ( r ) τ τ s Q Pada berbagai ε
Dalam hal ini, dan r diukur pada aliran keluar reaktor (sama dengan kondisi di dalam reaktor) Jika ε, maka: ( ) atau: τ Q Keterangan: τ space-time, yakni waktu yang dibutuhkan oleh proses untuk mereaksikan satu volume reaktor, dengan umpan tertentu, pada kondisi tertentu s space-velocity (/τ) ONTOH SOL: Gas murni pada 3 atm dan 3 o ( mmol/liter) diumpankan ke dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk yang bervolume 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 )! sumsi: Hanya reaktan yang mempengaruhi kecepatan reaksi Hasil perhitungan: Jadi: -r k STEDY-STTE PLUG LOW RETOR Pada plug flow reactor (PR), komposisi fluida berubah/bervariasi terhadap posisi aksial (sepanjang pipa). Neraca massa (mol/waktu) dalam elemen volume diferensial d: Input Output Berkurang karena reaksi kumulasi Karena: maka: atau: ( + d ) ( ) d d d{ ( )} d + d ( ) d d ( ) d Jika dan diintegralkan untuk keseluruhan volume reaktor : f d d τ τ Q f d f d r (Pada berbagai ε ) Pada constant-density system (ε ): τ f d f d f f d d τ Q r (Silakan nda jabarkan sendiri untuk kasus-kasus reaksi homogen sederhana, seperti: reaksi searah orde satu, orde dua, dsb) 3
Perhatikanlah bahwa: Harga kecepatan reaksi (-r ) di dalam reaktor: Konstan, pada SS mixed flow reactor Bervariasi sepanjang reaktor, pada SS plug flow reactor Keterangan: f konversi reaktan keluar reaktor (final) f konsentrasi molar reaktan keluar reaktor (final) ontoh Soal Kinetika Reaksi Homogen pada Steady-State PR ## Reaksi homogen fase gas ireversibel elementer: + B R berlangsung dalam sebuah reaktor alir pipa steady-state pada kondisi isotermal. Reaktor bervolume, liter dan percobaan dilakukan dengan mengukur konsentrasi yang keluar reaktor pada berbagai variasi laju alir volumetrik umpan (Q ), dengan data sbb.: Percobaan Q (liter/ jam) (mmol/ liter) 85 4, 66 3,5 5 4,5 33 Umpan reaktor mengandung dan B dengan perbandingan ekuimolar. Jika konsentrasi di dalam umpan tetap, sebesar mmol/liter, tentukan persamaan laju reaksinya. I Hasil Perhitungan: ( + ε ) d ( ) I,5 ln( ) +, 5 +,5 Harga k, dengan metode k-averaging: tau, jika harga k dihitung dengan metode grafik: Jadi, persamaan laju reaksinya adalah:,34 Jangan lupa, tuliskan satuannya! B Problem 4-6, Missen, 999 pure gaseous reactant is fed at a steadystate (q ) of 3 L h - and a concentration ( ) of, mol L - into an experimental STR of volume (), L, where it undergoes dimerization ( ). If the steady-state outlet concentration ( ) is,857 mol L -, 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 - h - (d) The space time based on the feed rate rom: Problem 4-3, Missen, 999 Determine the rate constant of a firstorder reaction: P, conducted in a steady-state STR ( 37 L), given that q 5 L s -, the density of the system is constant, 4 mol L -, and 65% 4
ontoh Soal (RTB, reversible): Reaksi fase-cair elementer: R berlangsung dalam RTB isotermal. Pada kesetimbangan: 66,67%. Pada pengoperasian reaktor dengan waktu tinggal menit: 4%. Umpan reaktor mengandung [,5 M dan R ]. Tentukan nilai k dan k! Soal Latihan Nomor : Reaksi homogen fase-gas: B berlangsung dalam sebuah RTB (bervolume R liter). P atm dan T 7 o (kondisi tekanan & suhu tetap). Umpan berupa gas murni dialirkan dengan laju alir mol/menit. Dua percobaan pada kondisi steady menghasilkan data sbb.: / R,,5 / ( f),,3 Tentukan orde reaksi dan konstanta kecepatan reaksi ini! Tuliskan juga satuannya. Soal Latihan Nomor 6: Reaksi homogen fase-cair bolak-balik: B berlangsung dalam sebuah RTB steady. Umpan reaktor berupa dan B dengan konsentrasi:,5 mol/m 3 dan B,5 mol/m 3. Kesetimbangan reaksi ini tercapai pada rasio /,. Pengoperasian reaktor dengan waktu tinggal τ,7 jam menghasilkan rasio /,6. Jika reaksi tersebut di atas elementer, berapakah nilai k dan k? Tuliskan juga satuannya. Soal Latihan Nomor 5: Reaksi homogen fase-cair: B + r B k + D r D k berlangsung dalam sebuah RTB isotermal steady, dengan 3 mol/liter ( B D ). Jika reaktor dioperasikan pada waktu tinggal (τ) 5 menit, konsentrasi dan B keluar reaktor:,5 mol/liter dan B, mol/liter. Hitunglah: k dan k (beserta satuannya) ontoh Soal (RTB, paralel, variable-density): Reaksi fase-gas elementer simultan: + ½ B P Q berlangsung dalam sebuah RTB pada kondisi steady. Laju alir umpan masuk dm 3 /min pada 5 atm dan 4 o. Umpan berupa campuran: 66,7% dan B 33,3%-mol. Pengoperasian reaktor dengan space time menit menghasilkan 7,43% dan yield P terhadap B 4%. Reaksi berlangsung pada suhu dan tekanan tetap (5 atm, 4 o ). Tentukan nilai k dan k! Soal Latihan Nomor : Dekomposisi dimethyl ether (H 3 ) O (E) menjadi H 4, H, dan O merupakan reaksi irreversible berorder satu. Reaksi ini dilangsungkan dalam sebuah PR steady ( R 3,3 m 3 ). Umpan reaktor yang berupa eter murni masuk pada 54 o dan bar (reaktor beroperasi pada T dan P tetap), dengan laju alir, mol/detik. Jika 6% eter terkonversi pada aliran keluar reaktor, berapakah konstanta kecepatan reaksi pada kondisi ini? 5
Soal Latihan Nomor 36: Reaksi homogen fase-gas: 3 B berorde dua dan berlangsung pada suhu dan tekanan tetap. Untuk umpan dengan laju alir 4 m 3 /jam berupa murni pada 5 atm dan 35 o, sebuah reaktor pilot-scale berupa pipa dengan ID,5 cm dan L m menghasilkan 6% konversi. Berapakah konstanta kecepatan reaksi ini? Problem 4- (Smith, nd ed, 97, page 97) The following conversion data were obtained in a tubular-flow reactor for the gaseous pyrolysis of acetone at 5 o and atmosphere. The reaction is: H 3 OH 3 H O + H 4 The reactor was 8 cm long and had an inside diameter of 3,3 cm. What rate equation is suggested by these data? low rate, g/hr 3, 5,,,8 onversion of acetone,5,3,4,35 Soal (Smith, 97): Studi kinetika dekomposisi fase-gas asetaldehida pada 58 o dan atm: H 3 HO H 4 + O 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 3% konversi asetaldehida, berapakah nilai konstanta laju reaksinya? Example 4-3: Smith, 97 Reaksi homogen fase-uap/gas: H 4 + S S + H S berlangsung dalam sebuah RP ( 35, ml). Sebuah percobaan pada 6 o dan atm; dengan waktu tinggal menit menghasilkan, g S. Laju alir uap S :,38 gmol/jam (steady-state). (a) Berapakah r, dinyatakan dalam gmol S dihasilkan/jam/ml volume reaktor. (b) Kecepatan pada 6 o : r k p H4 p S (atm). Hitung specific reaction rate, dalam gmol/(ml.atm.jam). H4,,9 gmol/jam. S, HS,. 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: k R The reaction is carried out in a, L STR at constant temperature and pressure. When pure is fed at, L/min, the flow rate out of the reactor is,3 L/min. (a) alculate, the fractional conversion of, under these conditions. (b) Derive expressions for and R in terms of 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,, atm) into a well-mixed STR ( L), maintained at,, atm, in which the following reaction occurs: R. The disappearance of follows first-order kinetics, and the exit stream contains 5 mol%. Estimate: (a) the rate of reaction, -r (mol/l-s), and (b) the apparent first-order rate constant, k (s - ). 6
onsider 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, L PR at L/s, 5,, atm. The PR is operated at 5,, atm. t steady state, the exit stream is found to contain mol%. (a) or the PR run cited above, calculate the fractional conversion of. (b) or 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 ( )! (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 STR. Pengukuran pada keadaan steady dilakukan pada laju alir yang berbeda dan pada suhu yang sama. Jika: liter dan, molar, serta diperoleh data sbb.: Laju alir (liter/detik) (molar),5,7,5,59 (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, atm) ke dalam sebuah wellmixed STR (bervolume liter) yang dijaga pada kondisi o dan atm, dengan reaksi homogen: R. Jika laju reaksi berkurangnya mengikuti model kinetika berorde satu, dan aliran keluaran reaktor mengandung 5%-mol : (a) Berapakah nilai kecepatan reaksi berkurangnya, -r (dalam mol/liter.detik)? (b)berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya (dalam detik - )? Umpan gas (6 o, atm) yang mengandung 5%- mol dan tidak mengandung R dialirkan ke dalam sebuah STR ( 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, molar) ke dalam sebuah steady-state plug flow reactor (bervolume liter). Pada laju alir umpan sebesar 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? 7