Penentuan η: Kondisi Isotermal

Penentuan η: Kondisi Isotermal Beberapa asumsi yang diambil: • Pori katalis berbentuk silinder lurus dengan jari-jari R dan panjang L (lihat gambar skema di bawah) x

L

Δx

Elemen volume ΔV

CA0 R x=0

x

x+Δx x = L

• Tidak ada perubahan mol gas selama reaksi berlangsung. Atau, reaksi mempunyai persamaan stoikiometri: A (g) P (g) • Reaktan A mendifusi ke dalam pori dan bereaksi di permukaan dengan bentuk persamaan kinetika berorde-satu (sebagai penyederhanaan) Pendefinisian beberapa besaran yang tidak dapat diamati dan diukur secara langsung (R ≡ jari-jari pori katalis, L ≡ panjang pori katalis, nP ≡ banyaknya pori per partikel katalis):

R=

L= np =

2 Vg

.... (4.1)

Sg

Vp .... (4.2)

Sx ε p Sx Sg 2 4 π Vg

2

.... (4.3)

dengan: Vg ≡ void volume per gram katalis Sg ≡ luas permukaan (surface area) per gram katalis Vp ≡ gross volume partikel katalis dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 20

Sx ≡ gross exterior surface area partikel katalis (luas geometrik) εp ≡ porositas katalis Kecepatan reaksi di permukaan (berorde-satu): -rA” = k” CA .... (4.4) Neraca massa A pada elemen volume ΔV: Pada keadaan steady (laju akumulasi massa = 0): Laju massa masuk = laju massa keluar + laju pengurangan massa akibat reaksi ⎛

π R 2 ⎜ − De ⎝

dC A ⎞ dC A ⎞ 2 ⎛ + (2 π R Δx ) (k" C A ) ⎟ = π R ⎜ − De ⎟ dx dx ⎠ x ⎝ ⎠ x + Δx

Jika kedua ruas persamaan dibagi dengan (π R2 Δx) dan kemudian diambil limit Δx mendekati nol, maka diperoleh:

d 2 C A 2 k" De = CA .... (4.5) 2 R dx (persamaan diferensial orde-dua, yang menyatakan kebergantungan CA sebagai fungsi x) Untuk menyelesaikan persamaan diferensial tersebut, dua syarat atau kondisi batas (boundary conditions) diperlukan, yakni: Pada x = 0 : CA = CA0 .... (4.6) dC A Pada x = L : dx = 0 (CA berharga tetap)

.... (4.7)

Persamaan (4.5) dapat disusun ulang sedemikian sehingga variabel x jarak (x) menjadi besaran dimensionless (tak berdimensi) L :

( )

⎛ 2 k" L2 = ⎜⎜ ⎝ R De

d 2C A

( L)

d x

di mana: h T

2

2

⎞ ⎟⎟ C A atau ⎠

d 2C A

( L)

d x

2 k" L2 = R De

2

2

= hT C A

.... (4.8)

.... (4.9)

dengan hT menyatakan modulus Thiele. dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 21

Penyelesaian persamaan (4.8) dengan menggunakan 2 kondisi batas di atas menghasilkan:

C A = C A0

[ (

cosh hT 1 − x

L

)]

.... (4.10)

cosh hT

Persamaan (4.10) merupakan gambaran profil konsentrasi reaktan A (CA) di sepanjang arah aksial pori katalis (atau, representasi grafisnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini). Concentration in pore , CA/CA0

1

hT = 0,5

0.9

hT = 1

0.8 0.7

hT = 2

0.6 0.5 0.4

hT = 5

0.3 0.2 hT = 10

0.1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Fractional distance into pore , x/L

Jika masing-masing pembilang dan penyebut pada persamaan (4.9) dikalikan dengan faktor

⎛ π R C A0 ⎞ ⎜ ⎟ L ⎠ ⎝

dan kemudian dilakukan

penyusunan ulang, maka persamaan (4.9) dapat ditulis ulang menjadi: 2

hT =

(2 π R L ) k" C A0

(π R )⎛⎜ D 2

⎝

e

.... (4.11)

C A0 − 0 ⎞ ⎟ L ⎠

Pada keadaan steady, kecepatan reaksi yang teramati di dalam pori sama besar dengan kecepatan difusi reaktan ke dalam pori, atau: ⎛ dC ⎞ rpori = − De ⎜ A ⎟ π R 2 ⎝ dx ⎠ x =0

.... (4.12)

dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 22

⎛ dC A ⎞ Harga ⎜ dx ⎟ dapat dievaluasi berdasarkan turunan pertama ⎝ ⎠ x =0 dari persamaan (4.10) yang dihitung pada x = 0, atau:

{

[ (

C A0 ⎛ dC A ⎞ sinh hT 1 − x = ⎜ ⎟ L ⎝ dx ⎠ x =0 cosh hT

=−

) ] }⎛⎜⎝ − hL ⎞⎟⎠ T

x =0

hT C A0 sinh hT h C = − T A0 tanh hT L cosh hT L

2 r = π R pori sehingga:

De hT C A0 tanh hT L

.... (4.13)

Jika tidak ada tahanan atau hambatan difusi reaktan melalui pori, maka kecepatan reaksi akan sebesar: rideal = 2 π R L k" C A0

.... (4.14)

Berdasarkan pendefinisian faktor keefektifan katalis (η), maka: η=

rpori rideal

=

π R2

De hT C A0 tanh hT ⎛ R De L = ⎜⎜ 2 2 π R L k" C A0 ⎝ 2 k" L

sehingga: η =

tanh hT hT

⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ hT tanh hT = ⎜ 2 ⎜h ⎠ ⎝ T

⎞ ⎟ hT tanh hT ⎟ ⎠

.... (4.15)

Profil faktor keefektifan katalis (η) terhadap modulus Thiele (hT) ditunjukkan pada gambar berikut:


faktor keefektifan, η

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

2

4 6 8 modulus Thiele, hT

10

Berdasarkan gambar tersebut di atas, terlihat bahwa faktor keefektifan partikel katalis padat (η) berbanding terbalik dengan modulus Thiele (hT). Hal ini disebabkan karena hT merupakan suatu ukuran atau karakteristik besarnya pengaruh hambatan difusi melalui pori katalis terhadap peristiwa kimia (reaksi) yang terjadi pada permukaan katalis. Atau dengan kata lain, semakin besarnya pengaruh hambatan difusi ini berakibat pada semakin berkurangnya keefektifan partikel katalis padat dalam mempromosikan reaksi katalitik. Pada kasus ini, harga η menurun secara tajam pada harga hT hingga ± 2, dan menurun secara perlahan pada harga hT > 2. Pada harga hT yang rendah (pada kondisi reaksi lambat dan difusi cepat), harga η mendekati satu. Penjabaran yang sama (analog) dapat dilakukan untuk bentuk-bentuk pori katalis yang berbeda dan bentuk kecepatan reaksi di permukaan yang berbeda. Berdasarkan adanya tahanan atau hambatan difusi melalui pori, secara umum dapat ditinjau dua keadaan yang berbeda, yakni: 1. Jika hT kecil (atau hT < 0,4), maka η ≈ 1, konsentrasi reaktan tidak mengalami penurunan yang berarti sepanjang pori, dan tahanan difusi melalui pori dapat diabaikan. Hal ini tercapai untuk kondisi-kondisi seperti: ukuran pori yang kecil, reaksi yang berlangsung lambat, atau difusi yang berlangsung cepat. Rezim ini sering disebut rezim no pore diffusion resistance. dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 24

1

2. Jika hT besar (atau hT > 4), maka η ≈ h dan konsentrasi T reaktan menurun secara tajam di sepanjang pori, sehingga difusi berpengaruh kuat terhadap kecepatan reaksi. Rezim ini sering disebut rezim strong pore diffusion resistance.

PARTIKEL KATALIS PADAT BERPORI Kelakuan yang teramati dan penentuan effectiveness factor pada katalis padat berpori (untuk kasus pori tunggal berbentuk silinder lurus) seperti yang telah dijabarkan sebelumnya dapat diterapkan dan dianalogikan secara umum untuk berbagai bentuk partikel yang lain, seperti pelat datar, bola, dsb. Secara umum, hal-hal yang perlu diperhatikan adalah: 1. Gunakan koefisien difusi yang tepat. Dalam hal ini De menyatakan koefisien difusi efektif, yang berlaku untuk sistem gas atau cair dalam padatan berpori. 2. Tentukan ukuran atau dimensi pori partikel katalis berdasarkan bentuk geometri yang ditinjau. 3. Tentukan kecepatan atau laju reaksi yang bersesuaian. Dalam sistem reaksi heterogen katalitik, kecepatan reaksi dapat dinyatakan dalam berbagai cara. Misalnya, untuk kinetika reaksi berorde 1, maka:

− rA' = −

1 dn A = k' C A W dt

[=]

− rA' ' = −

1 dn A = k' ' C A S dt

[=]

− rA' ' ' = −

1 dn A = k' ' ' C A Vs dt

[ =]

− rA' ' ' ' = −

1 dn A = k' ' ' ' C A Vr dt

[=]

mol A kg katalis . det ik mol A

m 2 katalis . det ik mol A m3 katalis . det ik mol A m3 reaktor . det ik

(Ingat kembali beberapa cara pendefinisian kecepatan reaksi pada materi sebelumnya. Anda diharapkan dapat berlatih sendiri untuk menentukan satuan konstanta dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 25

kecepatan reaksi pada berbagai orde reaksi n, jika kecepatan reaksi dinyatakan dalam cara-cara tersebut di atas. Perhatikanlah bahwa satuan konstanta kecepatan reaksinya akan berbeda dengan sistem reaksi homogen yang sudah dipelajari sebelumnya.) 4. Tentukan hubungan antara η (faktor keefektifan partikel katalis) dengan modulus Thiele (hT) untuk berbagai bentuk pori partikel katalis. Secara umum, untuk reaksi: A Æ R dengan kinetika berorde 1, maka: − rA' ' = k' ' C A η Contoh:

η=

1 tanh hT hT

(untuk pori berbentuk silinder lurus)

1 ⎛⎜ 1 1 ⎞⎟ η= − ⎜ hT tanh 3 hT 3 hT ⎟ ⎠ ⎝

(untuk pori berbentuk bola)

5. Tentukan efek tahanan difusi melalui pori berdasarkan eksperimen, dengan modulus Wagner (hW), yakni sebesar: ⎛ ''' ⎞ ⎜ − rA / C A ⎟ ⎝ ⎠obs hW = hT 2 η = L2 De 6. Tentukan batas-batas tahanan difusi melalui pori. Jika reaktan masuk (atau berdifusi) ke dalam pori partikel katalis dan membasahi seluruh permukaan, maka partikel katalis berada dalam rezim bebas-difusi (no pore diffusion resistance). Hal ini terjadi jika: hT < 0,4 atau hW < 0,15 Sebaliknya, pada kondisi ekstrim yang lain, yakni jika pusat partikel katalis miskin reaktan, maka partikel katalis berada dalam rezim tahanan difusi pori kuat (strong pore diffusion resistance). Hal ini terjadi jika: hT > 4 atau hW > 4 dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 26

7. Untuk partikel dengan ukuran yang berbeda, dengan membandingkan partikel dengan ukuran R1 dan R2, maka: Dalam rezim bebas-difusi (untuk kinetika reaksi berorde 1):

rA' 1 η1 k ' C A η1 = = =1 rA' 2 η 2 k ' C A η 2 Dalam rezim tahanan difusi kuat:

rA' 1 η1 hT 2 R2 = = = ' rA 2 η 2 hT 1 R1 (Dalam rezim ini, kecepatan berbanding terbalik dengan ukuran partikel).

Catatan: • Campuran partikel dengan beragam bentuk dan ukuran Untuk unggun katalis yang terdiri atas campuran partikel dengan beragam bentuk dan ukuran, Aris (1957) memperkenalkan istilah faktor keefektifan rata-rata sebesar:

η = η1 f1' + η2 f 2' + ... '

'

dengan f1 , f 2 , ... menyatakan fraksi volume partikel dengan ukuran 1, 2, ... dalam campuran.

• Perubahan volume molar Jika densitas fluida berkurang selama reaksi (sistem reaksi mengalami ekspansi), maka outflow molekul dari pori akan meningkat, sehingga difusi reaktan ke dalam pori menjadi lebih sulit dan η akan turun. Sebaliknya, jika sistem reaksi mengalami kontraksi volumetrik, maka net molar flow dalam pori akan meningkat, sehingga akan meningkatkan η. • Untuk kinetika reaksi sembarang, dalam rezim difusi pori kuat, sebuah reaksi berorde n berkelakuan seperti reaksi berorde n +1 2 , atau: Orde 0 menjadi orde ½ Orde 1 tetap menjadi orde 1 Orde 2 menjadi orde 1,5 dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 27

Orde 3 menjadi orde 2

• Energi aktivasi reaksi teramati (Eobs) yang dipengaruhi oleh tahanan difusi pori kuat kira-kira menjadi setengah dari energi aktivasi reaksi yang sesungguhnya (Etrue), atau:

Eobs =

Etrue + Ediff

2 Karena energi aktivasi untuk reaksi-reaksi fase gas biasanya cukup tinggi, sekitar 80-240 kJ, sedangkan energi aktivasi untuk proses difusi (Ediff) kecil (sekitar 5 kJ pada suhu ruang atau 15 kJ ada 1000oC), maka dapat diambil pendekatan:

Etrue E≅ 2

EFEK PANAS SELAMA REAKSI Jika reaksi berlangsung cepat, maka pelepasan panas (atau penyerapan panas) dalam pelet/partikel katalis tidak dapat diambil (atau dikeluarkan) dengan cepat, sehingga terjadi efek nonisotermal. Dalam situasi tersebut, dapat terjadi 2 macam efek temperatur (atau gradien suhu, ΔT), yakni: 1. ΔT dalam partikel katalis, dan 2. ΔT film fluida Pada reaksi eksotermis, terjadi pelepasan panas, sehingga: T partikel katalis > T fluida sekeliling Akibatnya, kecepatan reaksi non-isotermal > kecepatan reaksi isotermal. Pada reaksi endotermis, terjadi sebaliknya.

ΔT film Q generated = ( V pellet ) ( − rA' ' ',obs ) ( − ΔH r )

Qremoved = h S pellet ( Tg − Ts ) Kombinasi dari kedua persamaan di atas menghasilkan: dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 28

ΔT film = ( T g − Ts ) =

L ( − r A' ' ',obs ) ( − ΔH r ) h

ΔT dalam partikel − keff

dC A dT = − De ( −ΔH r ) dx dx

dengan: keff = konduktivitas termal efektif Pada keseluruhan pelet katalis:

ΔT partikel = ( Tcenter − Ts ) =

De ( C As − C A,center )( −ΔH r ) keff

ΔT maksimum dalam partikel:

ΔT partikel ,maks =

De C As ( − ΔH r ) keff

METODE EKSPERIMEN UNTUK MENENTUKAN PERSAMAAN KECEPATAN REAKSI (Ingat dan pelajari kembali kinetika reaksi pada sistem reaktor batch dan sistem reaktor alir dalam materi kuliah sebelumnya). Untuk reaksi berkatalis padat (khususnya reaksi fase gas berkatalis padat), beberapa sistem reaktor berikut ini dapat digunakan: 1. Differential (flow) reactor Istilah reaktor diferensial biasa digunakan untuk plug flow reactor, yakni jika kecepatan reaksi pada setiap titik dalam reaktor tetap (konstan). Hal ini dapat terjadi hanya untuk konversi yang kecil atau reaktor yang kecil dangkal. Untuk reaksi berkatalis padat, hal ini terjadi jika ukuran unggun (atau bed) katalis cukup pendek/ tipis/ dangkal.


W = FA0

XAout

∫

XAin

dX A 1 = − rA ' (−rA ' ) ave

XAout

∫

dX A =

XAin

X A, out − X A,in (−rA ' ) ave

2. Integral (plug flow) reactor Sebuah plug flow reactor disebut reaktor integral jika variasi kecepatan reaksi dalam reaktor demikian besar. Seperti halnya pada kinetika reaksi homogen, ada 2 pendekatan/ analisis/ metode yang dapat digunakan, yakni: X

Metode integral

A dX W A = ∫ : FA0 0 − rA'

Metode diferensial :

− rA' =

dX A dX A = dW ⎛ ⎞ FA0 d ⎜W ⎟ ⎜ FA0 ⎟ ⎝ ⎠

3. Mixed flow reactor Pada reaktor jenis ini, komposisi fluida pada setiap posisi sama.

X W = A ,out FA0 − rA,out '

F X − rA,out ' = A0 A ,out W 4. Reaktor alir dengan recycle

W = ( R + 1) FA0 ⎛

X Af

∫

⎞ ⎜ RR+1 ⎟ X Af ⎠ ⎝

dX A − rA'


Solid catalyst, W (R+1) Q

Fluid in XA,in = 0

Fluid out Q, XA,out

RQ 5. Batch reactor XA

X

dX A V A dX A = ∫ = ∫ −r ' C A0 − r W A A 0 0 t

Keterangan: W = massa katalis padat V = volume gas (-rA’)ave = kecepatan reaksi rata-rata berkurangnya A (Perhatikanlah bahwa dalam hal ini kecepatan reaksi dinyatakan sebagai ri’. Ingat kembali beberapa pendefinisian kecepatan reaksi dalam materi kuliah sebelumnya. Ingat kembali bagaimana hubungan antara ri dan ri’)

Contoh Soal (Persamaan Laju dari Reaktor Integral): Reaksi fase gas katalitik: A Æ 4 R dipelajari melalui sebuah plug flow reactor dengan memvariasikan banyaknya katalis padat yang digunakan. Gas A murni diumpankan dengan laju alir volumetrik 20 liter/jam pada 3,2 atm dan 117oC (P dan T tetap). Konsentrasi A dalam effluent yang dicatat pada berbagai run percobaan adalah sbb: Run percobaan 1 2 3 4 Katalis yang digunakan (kg) 0,020 0,040 0,080 0,160 CA,out (mol/liter) 0,074 0,060 0,044 0,029 Asumsikan gas berkelakuan seperti gas ideal. Tentukan persamaan kecepatan reaksinya. dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 31

Algoritma Penyelesaian Soal: a) Hitung CA0 dan FA0 dari data yang tersedia dalam soal. b) Hitung besarnya εA c) Jika menggunakan metode integral, tebak orde reaksi (misal n =1). Selanjutnya selesaikan persamaan diferensial yang bersesuaian. Uji orde tebakan tersebut dengan caracara yang telah dipelajari sebelumnya dalam sistem reaksi homogen (misal cara grafik atau cara merata-ratakan harga k’). d) Jika menggunakan metode diferensial, evaluasi harga-

− rA' .

harga Selanjutnya cari harga-harga n (orde reaksi) dan k (konstanta kecepatan reaksi) berdasarkan hubungan antara

− rA'

dengan CA.

Contoh Soal (Persamaan Laju dari Reaktor Diferensial): Reaksi fase gas katalitik: A Æ 4 R berlangsung dalam sebuah plug flow reactor yang berisi 0,01 kg katalis padat pada 3,2 atm (tetap) dan 117oC (tetap). Reaktan berupa gas A murni diumpankan dengan laju alir volumetrik 20 liter/jam. Hasil-hasil percobaan disajikan dalam tabel berikut: Run percobaan 1 2 3 4 CA,in (mol/liter) 0,100 0,080 0,060 0,040 CA,out (mol/liter) 0,084 0,070 0,055 0,038 Asumsikan gas berkelakuan seperti gas ideal. Tentukan persamaan kecepatan reaksinya. Algoritma Penyelesaian Soal: (Karena variasi konsentrasi rata-rata maksimum adalah 8% (pada run 1), maka sistem reaktor dapat dianggap sebagai reaktor diferensial) a) Hitung CA0 dan FA0 dari data yang tersedia dalam soal. b) Hitung besarnya εA c) Hitung C A, ave , X A,in , X A, out , dan − rA,ave '


d) Tentukan harga-harga n (orde reaksi) dan k (konstanta ' kecepatan reaksi) berdasarkan hubungan antara − rA dengan CA.

PENENTUAN TAHANAN YANG MENGONTROL ATAU MENENTUKAN KECEPATAN REAKSI Jika lebih dari satu tahanan berpengaruh terhadap kecepatan reaksi, maka interpretasi terhadap data percobaan menjadi sulit. Untuk menghindari persoalan tersebut, pada umumnya percobaan pendahuluan dilakukan, guna memperoleh batasan operasi di mana berbagai tahanan menjadi penting.

; Tahanan melalui film (film resistance) Mula-mula, sangat baik untuk mengamati apakah tahanan melalui film untuk transfer massa (difusi) atau panas perlu dipertimbangkan atau tidak. Untuk fluida yang bergerak cepat dengan kecepatan relatif u terhadap sebuah partikel tunggal, Froessling (1938) memberikan: 1/ 2

⎛d u ρ⎞ kg d p p 1/ 2 1/ 3 ⎟ = 2 + 0 ,6 Re = 2 + 0 ,6 ⎜ Sc ⎜ μ ⎟ D ⎝ ⎠

1/ 3

⎛ μ ⎞ ⎟ ⎜ ⎜ρ D⎟ ⎝ ⎠

Untuk fluida yang bergerak melalui patikel dalam packed bed, Ranz (1952) memberikan:

kg d p = 2 + 1,8 Re1 / 2 Sc1 / 3 D Secara kasar:

kg ∼

kg ∼

1 dp u1 / 2 d p1 / 2

(untuk Re > 80)

untuk dp dan u kecil untuk dp dan u besar


Dengan demikian, untuk melihat apakah tahanan film untuk transfer massa perlu dipertimbangkan atau tidak, bandingkanlah: ''' kobs . V p versus k g . Sex

Dalam hal ini:

Jika kobs . V p ≅ k g . Sex , maka tahanan difusi melalui film gas mempengaruhi kecepatan reaksi.

Jika kobs . V p << k g . S ex , maka tahanan difusi melalui film dapat diabaikan. Pada kasus/ efek non-isotermal, gradien suhu dapat terjadi pada film gas (ΔT film) atau dalam partikel (ΔT partikel). Untuk sistem gas padat, kebanyakan gradien suhu terjadi pada film gas.

; Tahanan melalui pori Tahanan melalui pori dapat diamati berdasarkan harga 1 η ≈ effectiveness factor (η), dengan: hT (seperti yang telah dijabarkan dalam materi sebelumnya). Adanya tahanan melalui pori dapat ditentukan dengan: 1. Perhitungan, jika De diketahui 2. Membandingkan kecepatan untuk ukuran pelet yang berbeda 3. Pengamatan besarnya penurunan energi aktivasi reaksi dengan naiknya suhu, yang disertai dengan kemungkinan terjadinya perubahan orde reaksi.

Contoh Soal: Berikut merupakan data yang dicatat dalam pengukuran kecepatan reaksi eksperimental pada reaksi dekomposisi gas A dengan sebuah katalis padat. dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 34

Untuk partikel berbentuk bola: 4 π R3 R −4 3 = = = 0 , 4 mm = 4 . 10 m katalis L dp = 2,4 mm atau 2 3 4π R De = 5.10-5 m3/jam.m katalis keff = 1,6 kJ/jam.m katalis.K Untuk film gas di sekeliling pelet: h = 160 kJ/jam.m2 katalis.K kg = 300 m3/jam.m2 katalis Untuk reaksi: ΔHr = -160 kJ/mol A (eksotermis) CAg = 20 mol/m3 (pada 1 atm dan 336oC)

− rA''',obs = 10 5 mol / jam.m 3 katalis Reaksi disumsikan berorde 1. Pertanyaan: (a) Apakah tahanan film pada transfer massa mempengaruhi kecepatan reaksi? (b) Apakah run percobaan ini berada dalam rezim difusi pori kuat? (c) Apakah variasi suhu berada dalam pelet atau melintang film gas? Penyelesaian: (a) Untuk mengetahui apakah tahanan difusi melalui film mempengaruhi kecepatan reaksi atau tidak, maka dapat dibandingkan antara observed rate dengan rate if film resistance controls sbb.: ''' kobs Vp observed rate = rate if film resis tan ce controls k g Sex

⎞⎛ ⎛ ' '' 3⎞ ⎜ − rA,obs ⎟ ⎜ π d p ⎟ ⎟⎜ 6 ⎟ ⎜ C ⎜ Ag ⎟ ⎜ ⎟ ⎠⎝ ⎝ ⎠ = .......... = 1 = 150 ⎞ ⎛ kg ⎜π d p2 ⎟ ⎝ ⎠ dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 35

Karena kecepatan reaksi yang teramati jauh lebih kecil dibandingkan kecepatan difusi melalui film, maka dapat disimpulkan bahwa tahanan difusi melalui film tidak berpengaruh terhadap kecepatan reaksi. (b) Gunakan modulus Wagner (hW) untuk menguji pengaruh tahanan difusi melalui pori:

− rA''',obs L2 hW = = .......... = 16 De C Ag Karena hW > 4, maka dapat disimpulkan bahwa tahanan difusi melalui pori berpengaruh terhadap kecepatan reaksi dan memperlambat kecepatan reaksi. Dengan kata lain, run percobaan ini berada dalam rezim strong pore diffusion resistance. (c) Operasi non-isotermal Menguji ΔT film dan ΔT pelet maksimum:

ΔTmax, pellet =

De ( C Ag − 0 ) ( − ΔH r ) keff

= .......... = 0 ,1 oC

L ( − rA''',obs ) ( − ΔH r ) = .......... = 40 oC ΔTmax, film = h Berdasarkan perkiraan dua harga ΔT tersebut, teramati bahwa suhu pelet hampir seragam, tetapi dapat lebih panas dari pada fluida di sekelilingnya. Artinya, variasi suhu terjadi dalam film gas.

SOAL LATIHAN: 1. Gas A murni direaksikan dalam sebuah reaktor eksperimental melalui reaksi: A Æ R Berdasarkan data pada berbagai kondisi berikut ini, tentukan persamaan kecepatan yang merepresentasikan reaksi. dy/igsb/2007/kinetika reaksi berkatalis padat/halaman 36

(a)

Q0 3 2 1,2 Mixed flow, CA0 = 10 mol/m3, (m /jam) W=4g XA 0,2 0,3 0,5 3

(b) W (g) 0,5 1,0 2,5 Plug flow, CA0 = 60 mol/m3, CA 30 20 10 Q = 3 liter/menit 2. Kinetic experiments on the solid catalyzed reaction A Æ 3 R are conducted at 8 atm and 700oC in a basket type mixed reactor of 960 cm3 in volume and containing 1 g of catalyst of diameter dp = 3 mm. Feed consisting of pure A is introduced at various rates into the reactor and the partial pressure of A in the exit stream is measured for each feed rate. The results are as follows: Feed rate (liters/hr) 100 22 4 1 0,6 pAout/pAin 0,8 0,5 0,2 0,1 0,05 Find a rate equation to represent the rate of reaction on catalyst of this size. 3. A reaction A Æ R is to take place on a porous catalyst pellet (dp = 6 mm, De = 10-6 m3/m cat.s). How much is the rate slowed by pore diffusion resistance if the concentration of reactant bathing the particle is 100 mol/m3 and the diffusion-free kinetics are given by:

− rA''' = 0,1 C A2

mol m 3 cat . s

--- Selamat Belajar ---


Penentuan η: Kondisi Isotermal

Recommend Documents