Tekni eknik k Reaksi eaksi Kimia Kimia 2
REAKSI HETEROGEN Mala Hayati Nasution, ST, MT Departemen Teknik Kimia UISI 2018 1
TATA TERTIB •
Alat komunik komunikasi asi dimatikan dimatikan atau silent atau silent
•
Keterlambatan maksimal 15 menit. Kecuali ada keadaan darurat seperti musibah atau ada pemberitah pemberitahuan uan sebelumny sebelumnya. a.
•
Penilaian tugas : kesesuaian jawaban jawaban + bahasa yang baik dan benar
•
Dilarang Dilarang memalsukan memalsukan tanda tangan tangan
•
Mulai pertemuan ke-2, setiap awal pertemuan diawali dengan kuis singkat untuk review materi
•
Sopan Sopan santun santun
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 22
Overview •
•
Setiap proses pada industri kimia dirancang secara ekonomis untuk menghasilkan produk yang diinginkan. Salah satu tahapan proses berlangsung pada reaktor. Reaktor
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Overview •
•
Parameter yang dibutuhkan saat perancangan reaktor : kinetika reaksi, pola kontak (contacting pattern) dan persamaan kinerja (performance equation). Persamaan kinerja ( performance equation)
= , , •
Berdasarkan persamaan kinerja : (i) membandingkan berbagai rancangan dan kondisi; (ii) menentukan yang paling optimal; dan (iii) scale-up dalam skala yang lebih besar. Persamaan Kinerja menghubungkan input dan output
Input Pola kontak, pola aliran material dan kontak satu sama lain di dalam reaktor,; seberapa cepat proses pencampuran; keadaan saat pencampuran
Universitas Internasional Semen Indonesia
Output Kinetika, seberapa cepat reaksi. Jika sangat cepat, kesetimbangan akan menunjukkan senyawa yang keluar reaktor terlebih dahulu. Jika tidak cepat, maka laju reaksi kimia, perpindahan panas dan massa akan menentukan hal yang akan terjadi. Teknik Reaksi Kimia 2
Klasifikasi Reaksi •
•
Reaksi homogen berlangsung pada satu fasa. Reaksi Heterogen, minimum terdiri dari dua fasa . Sekalipun reaksi hanya terjadi pada salah satu fasa atau pada kedua fasa; pada interface; atau reaktan dan poduk terdistribusi pada seluruh fasa. Non-katalitik
Homogen
Sebagian besar reaksi fasa gas
Heterogen
• • • • •
Pembakaran batubara Pembakaran bijih logam Reaksi logam dengan asam Absorpsi gas-cair dengan reaksi Reduksi bijih besi menjadi besi dan baja
Universitas Internasional Semen Indonesia
Katalitik
Sebagian besar reaksi fasa cair • •
• •
Sintesis ammonia Oksidasi ammonia menjadi asam nitrat Perengkahan minyak bumi Oksidasi SO2 menjadi SO3
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 1 : Reaksi Heterogen Reaksi sintesis Amonia : •
•
Persamaan reaksi : 3 ( ) +
() ↔ 2 ()
Berlangsung pada 400 – 450oC dan 200 atm dengan katalis Fe (padat).
gas
padat
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Kerumitan Reaksi Heterogen •
Kerumitan persamaan laju reaksi , karena terdiri dari dua fasa maka
perpindahan
material
dari
satu
fasa
ke
fasa
lainnya
harus
dipertimbangkan dalam persamaan laju reaksi. Persamaan laju reaksi akan melibatkan perpindahan massa •
Kerumitan pola kontak untuk sistem dua fasa
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Kerumitan Persamaan Laju Reaksi
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 2 : Pembakaran Partikel Karbon di Udara Soal Sebutkan jumlah tahapan laju jika kinetika reaksi sebagai berikut :
+ → Pembentukan CO diabaikan. Jawab :
1. Perpindahan massa oksigen pada permukaan
Universitas Internasional Semen Indonesia
2. Reaksi pada permukaan partikel
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 3 : Fermentasi Aerobik Soal
Sebutkan jumlah tahapan laju yang terjadi ketika gelembung udara melalui tangki cairan yang berisi mikroba terdispersi. Gelembung udara tersebut digunakan oleh mikroba untuk menghasilkan produk. Jawab :
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 3 : Fermentasi Aerobik (lanjutan) Untuk memperoleh persamaan laju keseluruhan, tulis masing-masing tahap pada satuan yang sama (luas permukaan, unit volume fermenter, unit volume sel, dll.)
1 − = − = − = − = . − = −
= .
− = −
1
1
=
.
= − = − = − Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 3 : Fermentasi Aerobik (lanjutan) Jika reaksi seri maka : = = = Jika reaksi paralel maka : = + +
•
Jika seluruh tahap merupakan persamaan linier, maka penyelesaiannya akan mudah.
•
Namun jika terdapat tahap yang nonlinear, maka penyelesaiannya cukup rumit.
•
Solusi yang dapat dilakukan adalah dengan menyederhanakan persamaan nonlinear.
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 4 : Laju Overall Untuk Proses Linier Larutan encer A mengalami difusi melalui lapisan film stagnan menuju permukaan solid yang mengandung senyawa B. Senyawa A dan B bereaksi menjadi produk R yang mengalami difusi kembali ke aliran utama. Susun persamaan laju reaksi keseluruhan untuk reaksi Liquid-Solid tersebut. Reaksi berlangsung pada permukaan solid.
() + () → ()
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Contoh 4 : Laju Overall Untuk Proses Linier (lanjutan) Berdasarkan persamaan difusi, flux A menuju Pada keadaan steady-state, difusi menuju permukaan adalah sebagai berikut:
=
permukaan solid sama dengan reaksi pada permukaan sehingga : = − = − = + = + =
= − = − − ∆ = − ∆ = −
=
Laju reaksi berdasarkan luas permukaan :
=
1
= = = −
=
−
Universitas Internasional Semen Indonesia
=
+
−
Teknik Reaksi Kimia 2
Pola Kontak Sistem 2 Fasa
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
Pola Aliran Reaktor Nyata Pada Sistem Heterogen Pada perancangan reaktor dan scale-up, pemilihan model pola aliran sangat penting. Pola aliran dapat berubah ketika skala reaktor ditingkatkan.
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia16 2
PROBLEMS
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia17 2
PROBLEM 17.1 Reaktan gas A mengalami difusi melalui film gas dan bereaksi pada permukaan berdasarkan persamaan laju reaksi orde-1 :
− = −
konsentrasi A pada kesetimbangan dengan permukaan solid. Susun persamaan laju reaksi A yang menunjukkan tahap perpindahan massa dan laju reaksi. Jawab :
= − = − − = − Tahap reaksi − Pada keadaan tunak − = − = −
Tahap perpindahan massa
CAg Gas
CAe
film Universitas Internasional Semen Indonesia
− = − + Solid Teknik Reaksi Kimia18 2
PROBLEM 17.3 Pada reaktor slurry , reaktan murni dalam fasa gas diumpankan pada cairan yang mengandung partikel katalis tersuspensi. Perhatikan pada Gambar. Untuk mencapai permukaan padatan, reaktan melalui proses difusi pada lapisan film cairan menuju bagian utama cairan. Lalu reaktan akan melalui lapisan film di sekitar partikel katalis. Pada permukaan partikel, reaktan menghasilkan produk berdasarkan kinetika orde-1. turunkan persamaan yang menunjukkan laju reaksi.
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia19 2
PROBLEM 17.3 (lanjutan) Reaksi permukaan :
− = Pada keadaan steady-state, perpindahan massa pada interface gas-cair sama dengan reaksi permukaan : − = Reaksi pada interface solid-cair sama dengan reaksi permukaan : −
Interface gas-cair :
− = −
1
=
−
Interface solid partikel-cair :
− = −
1
=
−
Universitas Internasional Semen Indonesia
=
− = − = − = − −
=
1 1
+
1
+
. Teknik Reaksi Kimia20 2
Pustaka
•
O. Levenspiel – Chemical Reaction Engineering. 3rd edition. McGrawHill, 2000. (Halaman 369 – 375)
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia 2
TUGAS 1 (INDIVIDU) Tulis pada kertas A4 (re-use). Beri keterangan : (i) Mata Kuliah; (ii) Nama; (iii) NIM; (iv) Tanggal Penyerahan. Tulisan tangan.
Turunkan persamaan reaksi seperti pada Contoh 4, jika persamaan pada laju reaksi adalah orde-2. Pada keadaan steady-state, difusi menuju permukaan solid sama dengan reaksi pada permukaan sehingga : =
− = Clue :
Akar persamaan kuadrat adalah sebagai berikut :
± − 4 , = − 2 Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia22 2
Reaksi Permukaan
Universitas Internasional Semen Indonesia
Teknik Reaksi Kimia23 2
