1

KINETIKA REAKSI HOMOGEN SISTEM REAKTOR ALIR

Siti D iyar K holisoh

PRODI TEKNIK KIMIA - FTIUPN “VETERAN” YOGYAKARTAJum’at, 3 Desember 2010

Kinetika dan KatalisisSemester Gasal 2010/2011

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

n Unsteady-state flow or semibatch

reactor

Batch Reactor (BR)

n Biasanya dimodelkan sebagai reaktor tangki berpengaduk.

n Reaktan mula-mula dimasukkan sekaligus ke dalam sebuah wadah yang dilengkapi dengan sistem pengadukan yang baik (well mixed)

n Reaksi dibiarkan berlangsungselama periode waktu tertentu sampai dicapai tingkat konversi yang diinginkan

BR

Uniformly

mixed

Plug Flow Reactor (PFR)n Biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal

tubular, atau unmixed flow reactor.

n Reaktor ini juga disebut sebagai reaktor alir pipa (RAP) ini biasanya dipakai untuk proses alir/kontinyu tanpa pengadukan.

n 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.

n Biasanya diasumsikan tidak ada difusi arah aksial maupun pencampuran balik (backmixing).

Continuous Stirred Tank Flow Reactor (CSTFR)

n Reaktor ini disebut juga mixed flow reactoratau reaktor alir tangki berpengaduk (RATB)

n Pada reaktor jenis ini, reaktan dimasukkan secara kontinyu ke dalam reaktor.

n Pada saat yang bersamaan juga ada hasil reaksi yang dikeluarkan dari reaktor secara kontinyu dengan kecepatan massa yang sama.

Umpan atau

reaktanProduk atau

hasil reaksi

RAP

Uniformly

mixed

Produk atau

hasil reaksi

Umpan

reaktanRATB

2

Semibatch Reactor

n Biasanya berbentuk tangki berpengaduk

n 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

n Atau reaktan dimasukkan sekaligus dan hasil reaksinya dapat dikeluarkan secara kontinyu sampai konversi yang diinginkan

Perbandingan (Reaktor) Sistem Batch dan Sistem Alir

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 Operasi kontinyu

1. Biasanya lebih baik untuk

produksi volume kecil (A)

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)

5. Memerlukan waktu-

berhenti (pengosongan,

pencucian, dan pengisian)

antar batch (D)

Tidak memerlukan waktu

berhenti kecuali untuk

perawatan terjadwal dan

emergensi (A); tetapi kehilangan

produksi pada penghentian

lama dapat menjadi mahal (D)

6. Biaya operasi dapat

menjadi relatif tinggi (D)

Biaya operasi relatif rendah (A)

7. Operasi tidak ajeg berarti

lebih sukar mengendalikan

dan mendapatkan

keseragaman produksi (D)

Operasi ajeg berarti lebih

mudah mengendalikan dan

mendapatkan keseragaman

produksi (A)

BATCH VERSUS CONTINUOUS

OPERATION (lanjutan)

Space Time versus Holding Time

n Space time: time needed to treat one reactor volume of feed:

0

0 0

A

A

C VV

Q Fτ = =

n Holding time:mean residence time of flowing material in the reactor:

0

0( ) (1 )

AX

AA

A A A

dXt C

r Xε=

− +∫

Vt

Qτ = =

For constant density system (all liquid and constant density gases):

Untuk sistem varying density (secara umum):

( ) 00

0

1 A A

P TV V X

P Tε= +

( ) 00

0

1 A A

P TQ Q X

P Tε= +

(batch)

(alir)

V ≡ volume sistem reaksi

Q ≡ laju alir volume (debit)P ≡ tekanan total sistem reaksiT ≡ suhu absolut sistem reaksiPada sistem alir: V ≡ volume reaktor

3

CONTOH SOAL:

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

Hasil perhitungan:

Jadi: -rA = k CA2

Contoh Soal Kinetika Reaksi Homogen pada Steady-State PFR ##Reaksi homogen fase gas ireversibel elementer: A + B à 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.:

Umpan reaktor mengandung A dan B dengan perbandinganekuimolar. Jika konsentrasi A di dalam umpan tetap, sebesar CA0 = 100 mmol/liter, tentukan persamaan laju reaksinya.

Perco-baan

Q0

(liter/ jam)

CA

(mmol/ liter)

1 10 85

2 4,1 66

3 2,5 50

4 1,5 33

Hasil Perhitungan:

Harga k, dengan metode k-averaging:

2

2

0

(1 )

(1 )

0,5 ln(1 ) 0,25 0,251

AX

A AA

A

AA A

A

XI d X

X

XI X X

X

ε+=−

= − − + +−

∫

Atau, jika harga k dihitung dengan metode grafik:

Jadi, persamaan laju reaksinya adalah:

0,304A A Br C C− = Jangan lupa, tuliskan satuannya…!

Problem 14-6, Missen, 1999

A pure gaseous reactant A is fed at a steady-state (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 à A2). If the steady-stateoutlet 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

(b) The oulet flow rate

(c) The rate of reaction, -rA, mol L-1 h-1

(d) The space time based on the feed rate

4

F rom : Problem 14-13, M issen, 1999

Determine the rate constant of a first-order reaction: A à 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%

Problem 4-11 (Smith, 2nd ed, 1970, page 197)

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 à 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

Example 4-3: Smith, 1970

Reaksi homogen fase-uap/gas:

CH4 + 2 S2 à 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 CS2dihasilkan/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.

Soal (Smith, 1970): ##

Studi kinetika dekomposisi fase-gas asetaldehida

pada 518oC dan 1 atm: CH3CHO à 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: **The decomposition of ozone (O3) to produce oxygen (O2) observes

the following stoichiometry: 2 A à 3 R

The apparent rate law (derived using the pseudo-equilibrium

approximation) is:

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.

2

AA

R

Cr k

C− =

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 à 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).

5

Example: ##Consider the homogeneous, gas-phase reaction:

A + 2B à 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?

Example:Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-gas:

A + 2 B à 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: **Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair: A à 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.:

Laju alir (liter/detik) CA (molar)

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.

Example: **Gas A murni diumpankan dengan laju alir 50

liter/detik (pada 25oC, 1 atm) ke dalam sebuah well-

mixed CSTR (bervolume 1000 liter) yang dijaga pada

kondisi 200oC dan 2 atm, dengan reaksi homogen:

A à 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:Umpan gas (60oC, 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 à 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 à 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?

6

Soal Latihan Nomor 58 **

Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair dengan skema

kinetika berikut:

A → B + C rB = k1 CA

A + C → 2 D 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:

Tentukan nilai konversi kesetimbangan reaksi ini

(XAe), dan selanjutnya tentukan nilai konversi A

aktual (XA) keluaran reaktor!

1 1(0,04 ) (0,01 )A A R

r menit C menit C− −− = −