KINETIKA REAKSI HOMOGEN SISTEM REAKTOR ALIR PENGANTAR Klasifikasi sistem reaktor (secara garis besar): 1. Batch reactor (BR) 2. Steady-state flow reactor: (a) Plug flow reactor, dan (b) Mixed flow reactor 3. Unsteady-state flow or semibatch reactor
(1) Uniformly mixed
Batch reactor (BR) biasanya dimodelkan sebagai reaktor tangki berpengaduk. Di dalam BR, reaktan mula-mula dimasukkan sekaligus ke dalam sebuah wadah yang dilengkapi dengan sistem pengadukan yang baik (well mixed) dan kemudian dibiarkan bereaksi selama periode waktu tertentu sampai dicapai tingkat konversi yang diinginkan. Selanjutnya, hasil reaksinya dikeluarkan dari dalam wadah. Ini merupakan operasi unsteady-state, karena ada perubahan komposisi campuran reaksi terhadap waktu. Namun demikian, komposisi setiap saat di dalam reaktor seragam.
Plug flow reactor (PFR) biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal tubular, atau unmixed flow reactor. Reaktor yang disebut juga 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). Reaktor tangki yang dioperasikan pada proses alir disebut reaktor alir tangki berpengaduk (RATB) atau continuous stirred tank flow dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 1 dari 9
reactor (CSTR). Reaktor ini disebut juga mixed flow reactor. 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 yang sama. Umpan reaktan
Umpan reaktan
Produk atau hasil reaksi
(2.a)
Produk atau hasil reaksi
Uniformly mixed
(2.b) 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. Hasil reaksinya dapat dikeluarkan secara kontinyu maupun dibiarkan tinggal di dalam reaktor sampai diperoleh tingkat konversi yang diinginkan. (Penggambaran lebih jelas untuk masing-masing jenis reaktor dan aplikasinya akan dipelajari lebih lanjut dalam mata kuliah REAKTOR) HUBUNGAN ANTARA CA DENGAN XA (Review) (Untuk mempelajari bagian ini, ingatlah dan pelajari kembali sub materi STOIKIOMETRI REAKSI KIMIA pada materi sebelumnya) Tinjaulah sistem reaksi homogen:
aA+bB
rR
(dengan kondisi ada inert) Beberapa kasus yang mungkin, untuk menyatakan hubungan antara CA dengan XA: dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 2 dari 9
1. Constant Density Batch and Flow Systems Dijumpai pada hampir semua reaksi fase cair, dan reaksi-reaksi gas pada suhu (T) dan densitas (ρ) yang tetap. XA = 1−
CA C A0
CA atau: C = 1 − X A A0
ε = Hal ini berlaku untuk: A
dC A dX = − sehingga: A C A0
sehingga: dC A = −C A0 dX A
V
X A =1
V
−V
X A =0
≈0
X A =0
Hubungan perubahan komposisi A, B, dan R dapat dinyatakan dengan: C A0 − C A C B 0 − C B C R − C R 0 = = a b r
atau:
C A0 X A C B 0 X B = a b
2. Batch and Flow Systems of Gases of Changing Density but with T and P Constant Densitas sistem reaksi berubah akibat adanya perubahan jumlah mol selama reaksi.
Ingat kembali materi kuliah sebelumnya: V = V0 (1 + ε A X A ) Dengan demikian: XA =
C A0 − C A C A0 + ε A C A
CA 1− XA = C A0 1 + ε A X A
C A0 (1 + ε A ) dC (C A0 + ε A C A )2 A
sehingga:
dX A = −
sehingga:
dC A 1+εA =− dX C A0 (1 + ε A X A )2 A
Perubahan komposisi A, B, R, dan I (inert) dapat dinyatakan dengan: εA X A = εB XB ♦ Antar reaktan-reaktannya: dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 3 dari 9
a εA b εB = C A0 CB 0 ♦ Untuk produk reaksi dan inert: r
XA +
CR0
CR a C A0 = C A0 1+εA XA
CI 1 = dan C 1+εA XA I0
3. Batch and Flow Systems for Gases in General (Varying ρ, T, and P) Tinjaulah sistem reaksi homogen: a A + b B
rR
(dengan: a + b ≠ r) Ambil A sebagai key-reactant (sebagai basis untuk menentukan atau menyatakan konversi). Asumsikan gas-gas sebagai gas ideal. Maka: ⎛ T P0 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ T P ⎝ 0 ⎠ XA = C ⎛ T P0 ⎞ ⎟ 1 + ε A A ⎜⎜ C A0 ⎝ T0 P ⎟⎠ 1−
CA C A0
⎛ T P0 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ T P ⎝ 0 ⎠ XB = b C ⎛ T P0 ⎞ ⎟ + ε A B ⎜⎜ a C A0 ⎝ T0 P ⎟⎠ CB 0 CB − C A0 C A0
CA 1− XA = atau: C 1+εA XA A0
⎛ T0 P ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ T P 0 ⎠ ⎝
CB0 b − XA CB C A0 a atau: C = 1 + ε X A0 A A
⎛ T0 P ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ T P0 ⎠
CR0 r − XA CR C A0 a = 1+εA XA C A0
⎛ T0 P ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ T P 0 ⎠ ⎝
dan: Hubungan antara reaktan A dan B:
a εA b εB = C A0 CB 0
dan
C A0 X A C B 0 X B = a b
Untuk cairan atau gas-gas pada kondisi isotermal, dengan tidak ada perubahan P dan ρ: dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 4 dari 9
εA →0
T0 P →1 T P0
dan
CONTOH SOAL #1: Umpan gas dengan CA0 = 100, CB0 = 200, dan CI0 = 100, dialirkan ke dalam sebuah reaktor alir steady-state, melalui reaksi: A + 3 B 6R Jika kondisi dijaga isotermal dan CA = 40 pada aliran keluaran reaktor, berapakah CB, XA, dan XB?
IDEAL BATCH REACTOR Peneracaan massa sistem (dalam mol/waktu):
Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi dengan: Input = 0 Output = 0 d nA ( ) − − = r V A Maka: dt (− rA ) V = − d nA = nA0 d X A dt dt
Melalui proses penyusunan ulang terhadap persamaan di atas dan selanjutnya diintegralkan: t = n A0
XA
∫ 0
d XA (− rA ) V
(persamaan umum)
Pada constant-density system: t = C A0
XA
∫ 0
C
A d XA d CA = ∫ (− rA ) C A0 (− rA )
untuk: εA = 0
Pada varying-density system:
t = n A0
XA
∫ 0
d XA (− rA ) V0 (1 + ε A X A ) dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 5 dari 9
t = C A0
XA
∫ 0
d XA (− rA ) (1 + ε A X A )
(Kasus-kasus dan contoh-contoh untuk sistem reaktor batch silakan Anda pelajari kembali dalam materi kuliah sebelumnya) STEADY-STATE MIXED FLOW REACTOR Peneracaan massa sistem (mol/waktu):
Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi dengan: Akumulasi = 0 Jika XA0 = 0, maka: FA0 − FA − ( −rA ) V = 0 FA0 − FA0 ( 1 − X A ) − ( −rA ) V = 0
FA0 X A = ( −rA ) V τ Δ XA XA V = = = sehingga: F C − r − rA A0 A0 A τ=
1 V V C A0 C A0 X A = = = s Q0 FA0 − rA
Pada berbagai εA
Dalam hal ini, XA dan rA diukur pada aliran keluar reaktor (sama dengan kondisi di dalam reaktor).
C A0 − C A XA V = = Jika εA = 0, maka: F − r C A0 (− rA ) A0 A V
C
XA
A0 atau: τ = Q = − r A
=
C A0 − C A − rA
Keterangan: τ ≡ space-time, yakni waktu yang dibutuhkan oleh proses untuk mereaksikan satu volume reaktor, dengan umpan tertentu, pada kondisi tertentu. s
≡ space-velocity [=]
1
τ
dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 6 dari 9
V ≡ volume sistem reaksi (= V reaktor, untuk reaksi homogen) Q ≡ laju alir volumetrik aliran umpan maupun hasil reaksi (volume/waktu) FA0 ≡ laju alir molar reaktan A (mol A/waktu) XA ≡ konversi reaktan A CA ≡ konsentrasi molar reaktan A keluar reaktor (mol A/volume) CA0 ≡ konsentrasi molar reaktan A masuk reaktor (mol A/volume) -rA ≡ kecepatan reaksi berkurangnya reaktan A (mol A/volume/waktu) STEADY-STATE PLUG FLOW REACTOR Pada plug flow reactor (PFR), komposisi fluida berubah/bervariasi terhadap posisi aksial (sepanjang pipa). Neraca massa (mol/waktu) dalam elemen volume diferensial dV: Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi dengan: Akumulasi = 0 maka:
FA – (FA + dFA) – (-rA) dV = 0
Karena: maka:
dFA = d{FA0 (1 – XA)} = -FA0 dXA FA – FA + FA0 dXA = (-rA) dV FA0 dXA = (-rA) dV
Diintegralkan untuk keseluruhan volume reaktor V: V
dV ∫0 FA0 =
X Af
∫ 0
d XA − rA
Sehingga, jika XA0 = 0, maka: V τ = = FA0 C A0
X Af
∫ 0
d XA − rA
V V C A0 = = = C A0 τ atau: Q0 FA0
X Af
∫ 0
d XA − rA
Pada berbagai εA
Pada constant-density system (εA = 0): dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 7 dari 9
τ V = = FA0 C A0 atau:
V = C A0 τ= Q0
X Af
∫ 0
X Af
∫ 0
d XA 1 =− − rA C A0
C Af
∫
C A0
d CA − rA
C Af
d XA d CA =− ∫ − rA − rA C A0
(Silakan Anda jabarkan sendiri untuk kasus-kasus reaksi homogen sederhana, seperti: reaksi searah orde satu, orde dua, dsb). Perhatikanlah bahwa: Harga kecepatan reaksi (-rA) di dalam reaktor: ♦ Konstan, pada SS mixed flow reactor ♦ Bervariasi sepanjang reaktor, pada SS plug flow reactor Keterangan: XAf ≡ konversi reaktan A keluar reaktor (final) CAf ≡ konsentrasi molar reaktan A keluar reaktor (final) CONTOH SOAL #2: Reaksi homogen fase gas: A 3 R pada 215oC dilaporkan mempunyai persamaan kecepatan: − rA = 10 − 2 C A
1
2
⎡ mol ⎤ ⎢⎣ liter .det ik ⎥⎦ .
Hitunglah τ yang dibutuhkan agar A terkonversi 80%, jika umpan berupa A dan inert dengan perbandingan 50%-50% mol, diumpankan ke dalam sebuah PFR yang beroperasi pada 215oC dan 5 atm! Diketahui: CA0 = 0,0625 mol/liter CONTOH SOAL #3: Gas A murni pada 3 atm dan 30oC (120 mmol/liter) diumpankan ke dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk yang bervolume 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-data dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 8 dari 9
berikut, tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi penguraian A)! Q0 0,06 0,48 1,5 8,1 CA 30 60 80 105 Q0 [=] liter/menit; CA [=] mmol/liter Asumsi: Hanya reaktan A yang mempengaruhi kecepatan reaksi
dy/kinetika reaksi homogen: sistem reaktor alir (kontinyu)/2007//halaman 9 dari 9
