Kinetika dan Katalisis Semester Gasal 2010/2011
KINETIKA REAKSI HOMOGEN SISTEM REAKTOR ALIR
PENGANTAR Klasifikasi sistem reaktor (secara garis besar): n Batch reactor (BR) n Steady-state flow reactor: a) Plug flow reactor, dan b) Mixed flow reactor
Siti D iyar K holisoh n PRODI TEKNIK KIMIA - FTI UPN “VETERAN” YOGYAKARTA Jum’at, 3 Desember 2010
Batch Reactor (BR) n
BR n
Uniformly mixed
n
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
Unsteady-state flow or semibatch reactor
Plug Flow Reactor (PFR) n n
n
n
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) n
n n
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.
RAP Umpan atau reaktan
Umpan reaktan
Uniformly mixed
Produk atau hasil reaksi
RATB Produk atau hasil reaksi
1
Perbandingan (Reaktor) Sistem Batch dan Sistem Alir
Semibatch Reactor n n
n
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
Tinjauan Batch Alir 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 ……
BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION No Operasi batch 1. Biasanya lebih baik untuk produksi volume kecil (A)
Operasi kontinyu 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)
Space Time versus Holding Time n
n
BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION (lanjutan) 5.
Memerlukan waktuberhenti (pengosongan, pencucian, dan pengisian) antar batch (D)
6.
Biaya operasi dapat menjadi relatif tinggi (D) Operasi tidak ajeg berarti lebih sukar mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (D)
7.
V = V0 (1 + ε A X A )
Holding time: mean residence time of flowing material in the reactor: X
Q = Q0 (1 + ε A X A )
t = C A0
∫ 0
dX A (−rA ) (1 + ε A X A )
For constant density system (all V liquid and constant density gases): τ = t =
Q
Operasi ajeg berarti lebih mudah mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (A)
Untuk sistem varying density (secara umum):
Space time: time needed to treat one reactor volume of feed: V C A0 V τ= = Q0 FA0
A
Tidak memerlukan waktu berhenti kecuali untuk perawatan terjadwal dan emergensi (A); tetapi kehilangan produksi pada penghentian lama dapat menjadi mahal (D) Biaya operasi relatif rendah (A)
P0 T P T0
(batch)
V ≡ volume sistem reaksi
P0 T P T0
(alir)
Q ≡ laju alir volume (debit) P ≡ tekanan total sistem reaksi T ≡ suhu absolut sistem reaksi Pada sistem alir: V ≡ volume reaktor
2
CONTOH SOAL:
Hasil perhitungan:
Gas A murni pada 3 atm dan 30 oC (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 di ukur pada setiap variasi laju alir tersebut. Dari data berikut, tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi penguraian A)!
Asumsi: Hanya reaktan A yang mempengaruhi kecepatan reaksi
Contoh Soal Kinetika Reaksi Homogen pada Steady-State PFR ##
Jadi: -rA = k CA2
Hasil Perhitungan: Harga k, dengan metode k-averaging:
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 (Q0), dengan data sbb.: Q0 CA Perco(liter/ (mmol/ baan jam) 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 CA0 = 100 mmol/liter, tentukan persamaan laju reaksinya.
Atau, jika harga k dihitung dengan metode grafik:
I=
XA
∫ 0
(1 + ε A X A )2 d XA (1 − X A )2
I = −0,5 ln(1 − X A ) + 0, 25 X A + 0, 25
XA 1− X A
Problem 14-6, Missen, 1999 A pure gaseous reactant A is fed at a steadystate (q0) of 30 L h-1 and a concentration (CA0) of 0,1 mol L-1 into an experimental CSTR of volume (V) 0,1 L, where it undergoes dimerization (2 A A2). If the steady-state outlet concentration (CA) is 0,0857 mol L-1, and if there is no change in T or P, calculate: (a) The fractional conversion of A
Jadi, persamaan laju reaksinya adalah:
−rA = 0,304 C ACB
(b) The oulet flow rate (c) The rate of reaction, -rA, mol L-1 h-1 Jangan lupa, tuliskan satuannya…!
(d) The space time based on the feed rate
3
Problem 4-11 (Smith, 2nd ed, 1970, page 197)
From : Problem 14-13, M issen, 1999 Determine the rate constant of a firstorder reaction: A P, conducted in a steady-state CSTR (V = 3700 L), given that q0 = 5 L s-1, the density of the system is constant, CA0 = 4 mol L-1, and XA = 65%
Example 4-3: Smith, 1970 Reaksi homogen fase-uap/gas: CH4 + 2 S2 CS2 + 2 H2S berlangsung dalam sebuah RAP (V = 35,2 ml). Sebuah percobaan pada 600oC dan 1 atm; dengan waktu tinggal 10 menit menghasilkan 0,10 g CS2. Laju alir uap S2: 0,238 gmol/jam (steady-state). (a) Berapakah r, dinyatakan dalam gmol CS2 dihasilkan/jam/ml volume reaktor. (b) Kecepatan pada 600oC: r = k pCH4 pS2 (atm). Hitung specific reaction rate, dalam gmol/(ml.atm2.jam). FCH4,0 = 0,119 gmol/jam. FCS2,0 = FH2S,0 = 0.
Example: ** The decomposition of ozone (O3) to produce oxygen (O2) observes the following stoichiometry: 2 A 3 R The apparent rate law (derived using the pseudo-equilibrium approximation) is: C A2 −rA = k
CR
The reaction is carried out in a 2,0 L CSTR at constant temperature and pressure. When pure A is fed at 1,00 L/min, the flow rate out of the reactor is 1,30 L/min. (a) Calculate XA, the fractional conversion of A, under these conditions. (b) Derive expressions for CA and CR in terms of XA and constant parameters. (c) Estimate the value of the rate constant k and give its units.
The following conversion data were obtained in a tubular-flow reactor for the gaseous pyrolysis of acetone at 520oC and 1 atmosphere. The reaction is: CH3COCH3 CH2=C=O + CH4 The reactor was 80 cm long and had an inside diameter of 3,3 cm. What rate equation is suggested by these data? Flow rate, g/hr
130,0
50,0
21,0
10,8
Conversion of acetone
0,05
0,13
0,24
0,35
Soal (Smith, 1970): ## Studi kinetika dekomposisi fase-gas asetaldehida pada 518oC dan 1 atm: CH3CHO CH4 + CO dalam sebuah reaktor alir pipa isotermal (ID = 3,3 cm, L = 80 cm). Reaksi ini berorde satu. Jika umpan berupa asetaldehida murni yang dialirkan dengan laju 50 g/jam menghasilkan 13% konversi asetaldehida, berapakah nilai konstanta laju reaksinya?
Example: Pure A (gas) is fed at 50,0 L/s (25°C, 1,0 atm) into a well-mixed CSTR (1000 L), maintained at 200°C, 2,0 atm, in which the following reaction occurs: A 2R. The disappearance of A follows first-order kinetics, and the exit stream contains 15 mol% A. Estimate: (a) the rate of reaction, -rA (mol/L-s), and (b) the apparent first-order rate constant, k (s-1).
4
Example: ##
Example:
Consider the homogeneous, gas-phase reaction: A + 2B R + S. The rate of reaction is first-order with respect to A and zero-order with respect to B. The feed contains 40 mol% A and 60 mol% B and is fed to a 10,0 L PFR at 1 L/s, 25 °C, 1,0 atm. The PFR is operated at 150 °C, 1,0 atm. At steady state, the exit stream is found to contain 20 mol% A. (a) For the PFR run cited above, calculate the fractional conversion of A. (b) For this feed, what is the maximum possible fractional conversion of A?
Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-gas: A+2B R+S 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 (XA)! (b)Untuk umpan ini, berapakah konversi maksimum A yang mungkin dicapai?
Example: **
Example: **
Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair: A P, dengan persamaan kinetika hukum pangkat. Percobaan reaksi dilakukan dengan memvariasikan laju alir ke dalam sebuah CSTR. Pengukuran pada keadaan steady dilakukan pada 2 laju alir yang berbeda dan pada suhu yang sama. Jika: V = 10 liter dan CA0 = 0,10 molar, serta diperoleh data sbb.: CA (molar) Laju alir (liter/detik) 0,5 0,027 1,5 0,059 (a) Tentukan orde reaksi ini! (b) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksi pada suhu ini? Jangan lupa, tuliskan juga satuannya.
Gas A murni diumpankan dengan laju alir 50 liter/detik (pada 25oC, 1 atm) ke dalam sebuah wellmixed CSTR (bervolume 1000 liter) yang dijaga pada kondisi 200oC dan 2 atm, dengan reaksi homogen: A 2 R. Jika laju reaksi berkurangnya A mengikuti model kinetika berorde satu, dan aliran keluaran reaktor mengandung 15%-mol A: (a) Berapakah nilai kecepatan reaksi berkurangnya, -rA (dalam mol/liter.detik)? (b)Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya (dalam detik-1)?
Example: (60oC,
Umpan gas 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? (Jangan lupa, tuliskan juga satuannya)
Example: Reaksi homogen fase-cair: A P berlangsung dengan mengikuti bentuk kinetika berorde 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) Perkirakan nilai konstanta kecepatan reaksinya! (Tuliskan juga satuannya) (b)Berapakah A yang terkonversi jika laju alir umpan diperbesar menjadi 3 liter/menit?
5
Soal Latihan Nomor 58 ** Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair dengan skema kinetika berikut: A→B+C rB = k1 CA A+C→2D rD = 2 k2 CA CC Reaksi berlangsung dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk isotermal pada steady-state, dengan CA0 = 3 mol/L dan tidak ada B, C, dan D di dalam umpan. Jika reaktor dioperasikan pada waktu tinggal, τ, sebesar 10 menit, dan konsentrasi A dan B yang keluar reaktor masing-masing sebesar CA = 1,25 mol/L dan CB = 1,50 mol/L, hitunglah: (a) harga k1 dan k2 (beserta satuannya) (b) CC dan CD keluar reaktor.
Example: Sebuah plug flow reactor (V = 2 m3) mereaksikan umpan berupa cairan (100 liter/menit) yang hanya mengandung reaktan A (CA0 = 100 mmol/liter). Reaksi ini berlangsung reversibel: A ↔ R, dengan:
− rA = (0, 04 menit −1 ) C A − (0, 01 menit −1 ) CR Tentukan nilai konversi kesetimbangan reaksi ini (XAe), dan selanjutnya tentukan nilai konversi A aktual (XA) keluaran reaktor!
6
