KINETIKA DAN KATALISIS / SEMESTER PENDEK 2009-2010 PRODI TEKNIK KIMIA FTI UPN VETERAN YOGYAKARTA Kinetika Reaksi Homogen Sistem Reaktor Alir (Kontinyu) Senin, 19 Juli 2010 / Siti Diyar Kholisoh, ST, MT KOMPETENSI DASAR: Berikut ini adalah kompetensi dasar yang terkait dengan materi kuliah Kinetika Reaksi Homogen Sistem Reaktor Alir (Kontinyu) : 1. Memahami gambaran reaksi yang berlangsung pada sistem alir (kontinyu). 2. Memahami perbedaan antara sistem alir dengan sistem batch (yang sudah dipelajari pada materi 2 sebelumnya). 3. Memahami perbedaan 2 mendasar antara sistem reaktor alir tangki ideal (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) = Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) = Mixed Flow Reactor (MFR)) dan sistem reaktor alir pipa ideal (Reaktor Alir Pipa (RAP) = Plug Flow Reactor (PFR) = Reaktor Aliran Sumbat (RAS)). 4. Mampu melakukan perhitungan 2 sederhana untuk kinetika reaksi homogen pada sistem reaktor alir tangki ideal dan pipa ideal, dengan menggabungkannya dengan konsep 2 : (a) persamaan kecepatan/kinetika reaksi (bentuk hukum pangkat & bentuk non-hukum pangkat), (b) hubungan stoikiometri reaksi (untuk kasus reaksi tunggal & reaksi kompleks), (c) sistem constant-density & variable-density, serta (d) persamaan2 pendukung, seperti persamaan keadaan gas ideal, persamaan/korelasi Arrhenius untuk pengaruh T terhadap k, hubungan kesetimbangan reaksi, dsb. SOAL-SOAL LATIHAN: 1. Umpan gas dengan C A0 = 100 mm, C B0 = 250 mm, dan C I0 = 50 mm, dialirkan ke dalam sebuah reaktor alir steady-state, melalui reaksi: A + 3 B 6 R Reaksi dijaga pada kondisi suhu dan tekanan tetap, serta C A = 40 mm pada aliran keluaran reaktor. Manakah limiting reactant dalam kasus ini? Berapakah C B, X A, dan X B? 1 3 2. (UAS Genap 2006-2007) Reaksi fase gas: N2 + H2 NH3 2 2 berlangsung dalam sebuah reaktor alir pada kondisi isotermal dan isobarik, dengan umpan yang berupa campuran ekuimolar N 2 dan H 2, dengan 40%-mol inert. (a) Susunlah tabel stoikiometri reaksi ini secara lengkap (didasarkan pada limiting reactant-nya). (b) Jika umpan masuk reaktor dengan tekanan total 16,4 atm dan suhu 1727 o C, hitunglah konsentrasi semua zat/komponen yang terlibat, pada keluaran reaktor (pada tingkat konversi limiting reactant sebesar 60%). 3. Dekomposisi gas ozon (O 3 ) untuk menghasilkan oksigen (O 2 ) berlangsung menurut persamaan reaksi: 2 O 3 3 O 2 atau: 2 A 3 R 2 CA Persamaan kinetika yang teramati dari eksperimen berbentuk: ra = k C R Reaksi ini berlangsung dalam sebuah RATB steady (volume = 2 liter) pada suhu dan tekanan tetap. A murni diumpankan ke dalam reaktor dengan laju alir 1 liter/menit. Laju alir gas keluaran reaktor = 1,30 liter/menit. (a) Berapakah X A (the fractional conversion of A) pada kondisi ini? (b) Jabarkan persamaan untuk C A dan C R sebagai fungsi X A. (c) Perkirakan nilai k dan tuliskan juga satuannya. 4. Oksidasi formaldehida yang menghasilkan asam formiat berlangsung dalam fase gas pada sebuah reaktor alir steady menurut reaksi sbb: HCHO + ½ O 2 HCOOH (i) 2 HCHO HCOOCH 3 (ii)
Laju alir volumetrik umpan = 100 dm 3 /min pada 5 atm dan 140 o C (tekanan & suhu tetap). Umpan reaktor mengandung: HCHO 66,7%-mol dan O 2 33,3%-mol. (a) Berapakah laju alir mol total umpan? Berapakah laju alir mol HCHO dalam umpan? (b) Susunlah tabel stoikiometri reaksi untuk kasus ini (dalam mol/menit) yang dinyatakan sebagai fungsi molar extent of reaction (i) dan (ii). (c) Berapakah konversi HCHO? Diketahui: yield HCOOH terhadap O 2 = 40% dan komposisi molar HCOOH dalam aliran keluar reaktor = 35%. (d) Berapakah selektivitas produk HCOOH dan HCOOCH 3 masing-masing terhadap reaktan HCHO? 5. Gas A murni diumpankan dengan laju alir 50 liter/detik (25 C, 1 atm) ke dalam sebuah well-mixed CSTR (volume: 1000 L), yang dijaga pada kondisi 200 C dan 2 atm. Di dalamnya berlangsung reaksi: A 2 R. Berkurangnya A mengikuti kinetika order satu. Gas keluaran reaktor mengandung A dengan komposisi 15 %-mol. (a) Berapakah kecepatan reaksi berkurangnya A, -r A (mol/liter-detik)? (b) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya? Tuliskan juga satuannya. 6. Reaksi fase gas penguraian t-butyl peroxide: 2 (CH 3 ) 3 CO 2 (CH 3 ) 2 CO + C 2 H 6 atau: 2 A 2 B + C dengan keberadaan N 2 (D) sebagai carrier-gas berlangsung dalam sebuah RATB bervolume 0,276 liter. Umpan A masuk dengan laju alir F A0 = 6,97 x 10-6 mol/detik pada suhu dan tekanan tetap (481,5 K dan 27 torr). F D0 /F A0 = 7,8. Jika konversi A pada keluaran reaktor = 0,158 dan reaksi ini berorder satu terhadap reaktannya, tentukan nilai konstanta kecepatan reaksinya (dan tuliskan juga satuannya)! 7. Tinjaulah reaksi homogen fase-gas: A + 2 B R + S. Kecepatan reaksi ini berorder satu terhadap A dan berorder nol terhadap B. Umpan yang dialirkan ke dalam sebuah reaktor alir (kontinyu) mengandung 40%-mol A dan 60%-mol B. Pada keadaan steady, aliran keluaran reaktor mengandung 20%-mol A. (a) Untuk reaktor yang digambarkan tersebut di atas, hitunglah konversi A (X A )! (b) Dengan umpan ini, berapakah konversi maksimum A yang mungkin dicapai? 8. (Kinetika Reaksi Ireversibel dalam RATB/CSTR Steady-State) Tinjaulah sebuah reaksi homogen n fase-cair: A P, dengan persamaan kinetika: ra = k CA, dengan orde reaksi (n) dan konstanta kecepatan (k) yang tidak diketahui. Percobaan reaksi dilakukan dengan memvariasikan laju alir ke dalam sebuah CSTR (V R = 10 liter). Pengukuran pada keadaan steady dilakukan pada 2 laju alir yang berbeda dan pada suhu yang sama. Jika C A0 = 0,10 molar, serta diperoleh data sbb.: Laju alir (liter/detik) C A (molar) 0,5 0,027 1,5 0,059 (a) Tentukan orde reaksi ini (n)! (b) Berapakah nilai k pada suhu ini? Tuliskan juga satuannya. 9. (Kinetika Reaksi Ireversibel dalam RATB Steady-State, Pengaruh Laju Alir Umpan terhadap Konversi Reaktan) Umpan gas (60 o C, 1 atm) yang mengandung 50%-mol A dan tidak mengandung R dialirkan ke dalam sebuah CSTR (20 liter) yang beroperasi pada T dan P yang sama. Reaksi homogen yang berlangsung adalah: A 2 R, dengan laju reaksi berorde dua. Pada laju alir umpan sebesar 5 liter/ menit, A terkonversi sebesar 80%. (a) Berapakah laju alir yang diperlukan untuk mencapai konversi A sebesar 90%? (b) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya? (Tuliskan juga satuannya) 10. Reaksi homogen fase-gas: 2 A B berlangsung dalam sebuah RATB (bervolume V R [liter]) yang beroperasi secara steady pada P dan T tetap (1,2 atm dan 210 o C). Gas A murni diumpankan ke dalam reaktor dengan laju alir F A0 [mol/menit]. Persamaan kinetika yang dianggap mewakili reaksi ini berbentuk: Tentukan nilai k 1 dan k 2! Tuliskan juga satuannya. Dua percobaan pada kondisi tersebut di atas menghasilkan data sbb: V R /F A0 3,0 1,8 F A /F A0 (= f) 0,2 0,3
11. Gas A murni pada 3 atm dan 30 o C (120 mmol/liter) diumpankan ke dalam sebuah RATB (volume = 1 liter), pada berbagai laju alir yang berbeda. Reaksi yang terjadi: A 3 R dan konsentrasi A yang keluar reaktor diukur pada setiap variasi laju alir tersebut. Dari data berikut, tentukan orde reaksi dan konstanta kecepatan reaksi penguraian A ini! Q 0 (liter/menit) 0,06 0,48 1,5 8,1 C A (mmol/liter) 30 60 80 105 12. Reaksi homogen fase-gas: 2 A B berlangsung dalam sebuah RATB (bervolume V R liter). P 0 = 2 atm dan T 0 = 170 o C (kondisi tekanan & suhu tetap). Umpan berupa gas A murni dialirkan dengan laju alir F A0 mol/menit. Dua percobaan pada kondisi steady menghasilkan data sbb.: F A0 /V R 0,10 0,15 F A /F A0 (= f) 0,20 0,30 Tentukan orde reaksi dan konstanta kecepatan reaksi ini! Tuliskan juga satuannya. 13. Reaksi homogen fase-gas reversible: 2 A B + C dipelajari dalam sebuah RATB yang beroperasi pada kondisi steady. A murni diumpankan pada 600 K dan 40 atm (T & P tetap). Pada kondisi ini, equilibrium conversion of A = 90%. Sebuah percobaan dengan rasio V R /F A0 = 2,61 [V R dalam liter; F A0 dalam mol/detik] menghasilkan konversi A = 70%. Jika orde reaksi ini sesuai dengan kemolekulan reaksinya, berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya (ke arah kanan dan juga kiri)? Tuliskan juga satuannya. 14. Reaksi homogen fase-cair: A 2 R berlangsung dalam RATB bervolume 5 liter. Umpan masuk mengandung A dengan C A0 = 1 mol/liter (C R0 = 0). Berdasarkan data eksperimen sbb.: Nomor Eksperimen T ( o C) q 0 (cc/detik) C R (mol/liter) 1 13 2 1,8 2 13 15 1,5 3 84 15 1,8 (a) Berapakah orde reaksi ini? Petunjuk: Gunakan data pada T yang sama. (b) Berapakah konstanta kecepatan reaksi pada 13 dan 84 o C? Tuliskan juga satuannya. (c) Dengan pendekatan korelasi Arrhenius, tentukan nilai A dan Ea reaksi ini! 15. (Kinetika Reaksi Kompleks (Seri-Paralel) dalam RATB Steady-State) Tinjaulah reaksi homogen fase-cair dengan skema kinetika berikut: A B + C r B = k 1 C A A + C 2 D r D = 2 k 2 C A C C Reaksi berlangsung dalam sebuah RATB isotermal pada steady-state, dengan C A0 = 3 mol/liter (C B0 = C C0 = C D0 = 0). Jika reaktor dioperasikan pada waktu tinggal, τ, sebesar 15 menit, dan konsentrasi A dan B yang keluar reaktor masing-masing sebesar C A = 1,5 mol/liter dan C B = 1,2 mol/liter, hitunglah: (a) C C dan C D keluar reaktor (b) harga k 1 dan k 2 (beserta satuannya) 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 3. Kesetimbangan reaksi ini tercapai pada rasio C A /C A0 = 0,20. Pengoperasian reaktor dengan waktu tinggal τ = 1,07 jam menghasilkan rasio C A /C A0 = 0,60. Jika reaksi tersebut di atas elementer, berapakah nilai k 1 dan k 2? Tuliskan juga satuannya. 17. Reaksi fase-cair antara amonia dan formaldehida menghasilkan heksamina dipelajari pada suhu 36 o C dalam sebuah reaktor alir bejana (V R = 490 cc) yang diaduk dengan kecepatan 1800 rpm. Reaksi yang terjadi: 2 NH 3 + 3 HCHO produk atau: 2 A + 3 B produk, dan kinetika reaksinya berorder 1 terhadap A dan berorder 2 terhadap B. Dua aliran umpan reaktor dengan debit masing-masing 1,5 cc/detik mengandung A dan B (masing-masing) dengan: C A0 = 4,02 mol/liter dan C B0 = 6,32 mol/liter. Jika A keluar reaktor dengan konsentrasi sebesar C A = 0,4124 mol/liter, tentukan nilai konstanta kecepatan reaksi ini! Tuliskan juga satuannya.
18. (UAS Genap 2006-2007) Reaksi fase-cair: A B + C, dipelajari melalui beberapa eksperimen dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk (RATB) bervolume 3 liter pada steady state, dan diperoleh data berikut: Eksperimen Q (cm 3 /detik) T ( o C) C A (mol/liter) 1 0,50 25 0,025 2 6,00 25 0,100 3 1,50 35 0,025 C A0 untuk masing-masing tempuhan eksperimen adalah 0,250 mol/l. Dengan menganggap bahwa kecepatan reaksi mempunyai bentuk: n Ea ( n ra ) = k CA = ko exp CA R T dengan k o dan Ea menyatakan parameter persamaan Arrhenius, maka tentukan harga-harga: (a) orde reaksi (n) (b) konstanta kecepatan reaksi (k) pada 25 o C dan 35 o C (c) k o dan Ea. Tuliskan juga satuannya. 19. (Kinetika Reaksi Ireversibel dalam PFR/ RAP Steady-State, Pengaruh Laju Alir Umpan terhadap Konversi Reaktan) Reaksi homogen fase-cair: A P berlangsung dengan mengikuti bentuk kinetika berorder dua. Reaksi dilangsungkan dengan mengumpankan A (pada konsentrasi 0,12 molar) ke dalam sebuah steady-state plug flow reactor (bervolume 10 liter). Pada laju alir umpan sebesar 1 liter/menit, 75% A terkonversi. (a) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksi ini? Tuliskan juga satuannya. (b) Berapakah A yang terkonversi jika laju alir umpan diperbesar menjadi 3 liter/menit? 20. (UAS Genap 2009-2010): Reaksi homogen fase gas pembentukan karbon disulfida (CS 2 ) dari metana (CH 4 ) dan sulfur (S 2 ): CH 4 + 2 S 2 CS 2 + 2 H 2 S atau: A + 2 B C + 2 D berlangsung dalam reaktor alir pipa (RAP) ideal pada 600 o C dan 1 atm (dengan T dan P tetap). Reaksi ini diyakini berorder satu terhadap masing-masing reaktan. Umpan reaktor berupa gas S 2 dan CH 4 dengan perbandingan mol = 2:1. Eksperimen dengan volume reaktor (V R ) = 67 cm 3 dan F A0 = 0,119 mol/jam menghasilkan X A = 0,180. (a) Berapakah order total (atau keseluruhan) reaksi ini? (b) Kasus ini merupakan sistem reaksi dengan constant-density atau bukan? Jelaskan. (c) Tentukan nilai konstanta kecepatan reaksi ini! Tuliskan juga satuannya. Catatan: Gas-gas dapat dianggap berkelakuan ideal. R = 82,05 cm 3.atm/(mol.K) 21. (Reaksi Homogen Kompleks (Reversibel) dalam PFR Steady-State) Sebuah plug flow reactor (V R = 2 m 3 ) mereaksikan umpan berupa cairan (100 liter/menit) yang hanya mengandung reaktan A (C A0 = 100 mmol/liter). Reaksi ini berlangsung reversibel: A R, dengan: 1 1 ra = (0, 04 menit ) CA (0, 01 menit ) CR Tentukan nilai konversi kesetimbangan reaksi ini (X Ae ), dan selanjutnya tentukan nilai konversi A aktual (X A ) keluaran reaktor! 22. 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? 23. Reaksi homogen fase gas ireversibel elementer: A + B R berlangsung dalam sebuah reaktor alir pipa steady-state pada kondisi isotermal. Reaktor bervolume 0,1 liter dan percobaan dilakukan dengan mengukur konsentrasi A yang keluar reaktor pada berbagai variasi laju alir volumetrik umpan (q 0 ), dengan data sbb.: Percobaan q 0 (liter/jam) C A (mmol/liter) 1 10 85 2 4,1 66 3 2,5 50 4 1,5 33
Umpan reaktor mengandung A dan B dengan perbandingan ekuimolar. Jika konsentrasi A di dalam umpan tetap, sebesar C A0 = 100 mmol/liter, tentukan persamaan laju reaksinya. 24. (UAS Gasal 2009-2010) Studi kinetika reaksi homogen fase-gas: CH 3 CHO CH 4 + CO pada 518 o C dan 1 atm dipelajari melalui sebuah RAP ideal (ID = 3,3 cm; L = 80 cm). Reaksi berlangsung secara isotermal pada tekanan tetap. Umpan reaktor berupa asetaldehida murni (BM asetaldehida = 44 g/mol), dengan variasi data pada kondisi steady sbb.: Laju alir umpan (g/jam) 135 41 22 14 Fraksi asetaldehida terurai 0,05 0,15 0,25 0,35 (a) Berdasarkan semua data di atas, buktikanlah bahwa reaksi ini berorder satu! (b) Berapakah konstanta kecepatan reaksi pada kondisi ini? Tuliskan juga satuannya. 25. Reaksi fase-gas: A P + Q berlangsung dalam sebuah RAP isotermal (V R = 1080 liter). Gas A murni diumpankan ke dalam reaktor dengan laju 1,5 liter/detik, dan tekanan reaktor dijaga tetap pada 150 kpa. Reaksi ini berorder tiga terhadap konsentrasi reaktannya. C A0 = 0,030 mol/liter dan konversi reaktan pada keluaran reaktor = 50%. Berapakah konstanta kecepatan reaksi ini? Tuliskan juga satuannya. 26. Reaksi homogen fase-gas: A 3 R pada 215 o C dan 5 atm (T dan P tetap) dilaporkan mempunyai persamaan kecepatan berorde ½ terhadap A. Umpan berupa A dan inert dengan perbandingan ekuimolar diumpankan ke dalam sebuah PFR yang beroperasi secara steady, dengan waktu tinggal τ = 32 detik. C A0 = 0,0625 mol/liter dan A terkonversi 80% pada aliran keluaran reaktor. Tentukan nilai konstanta kecepatan reaksi ini! Tuliskan juga satuannya. 27. Reaksi homogen fase-gas penguraian phosphine: 4 PH 3 P 4 + 6 H 2 diyakini berorder satu pada 649 o C. Studi kinetika ini dipelajari dengan sebuah RAP bervolume 150 liter dan beroperasi pada 649 o C dan 460 kpa (T dan P tetap). Umpan berupa PH 3 murni dialirkan dengan laju molar F A0 = 40 mol/jam. Kondisi reaksi menghasilkan X A = 80%. Berapakah konstanta kecepatan reaksi ini? *** Selamat belajar J ***