teknik reaksi kimia difusi.pdf

Tugas Makalah TRK Lanjut

[Type the author name]

The world’s largest digital library

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.











Difusi

Definisi Difusi adalah pencampuran spontan dari molekul-molekul karena suatu perbedaan. Perbedaan ini dapat berupa perbedaan suhu atau pun konsentrasi. Spesi sebuah molekul dalam satu fasa akan selalu berdifusi dari konsentrasi yang tinggi ke konsentrasi yang rendah, sampai tercapai konsentrasi yang sama. Ilustrasinya diberikan pada gambar dibawah ini.

Perpindahan molekul suatu spesi (misal A) dinyatakan dalam fluks molar W A (mol/area.waktu), kearah tertentu. Fluks A (W A) relatif terhadap sebuah koordinat vektor tertentu. Jumlah WA (partikel A yang berpindah) dalam koordinat rektangular dinyatakan oleh:

            =

+

+

Jika kita mengaplikasikan mole balance pada spesi A, yang mengalir dan bereaksi di elemen volum ( ∆V=∆x∆y∆z ), kita akan mendapatkan fluks molar dalam tiga dimensi. Gambar berikut memperlihatkan aliran dari fkuls molar A d alam koorinat tiga dimensi.











Dengan:

Molar flux balance pada sistem diatas dinyatakan dengan :

                −     ∆∆    − ∆∆    ∆ ∆∆    − ∆∆    ∆ ∆∆    − ∆∆    ∆  ∆∆∆ ∆∆∆    +

=

+

+

+

+

+

+

=

Jika membagi persamaan diatas dengan ∆x∆y∆z dan mengambil limit mendekati nol, maka akan didapat persamaan molar flux balance pada koordinat rektangular:

−    −    −         +

=

Fluks Molar Fluks molar A, WA adalah hasil dari kontribusi: J A (fluk molekuler difusi relatif terhadap gerakan fluida karena perbedaan konsentrasi) dan B A (fluk yang dihasilkan karena gerakan oleh fluida). Secara mikroskopis saat terjadi difusi juga terjadi gerakan dari fluida yang bersangkutan kearah difusi sehingga membantu difusi yang terjadi. WA = JA + BA











Dimana V = Σ yi Vi

Vi adalah kecepatan partikel i, yi adalah faksi mol i. Dalam sebuah campuran biner A dan B, dengan VA sebagai kecepatan spesi A dan V B kecepatan spesi B. Total molar fluks A dapat dinyatakan dalam persamaan berikut: WA = JA + CAV Dengan V = y AVA + yB VB Atau bisa juga dinyatakan dengan: WA = JA + yA (WA + WB)

Hukum Fick’s Hukum fick’s menyatakan jumlah difusi molekuler dalam bentuk konsentrasi dari spesi

terkait, misal J A . Hukum fick’s menyatakan bahwa jumlah partikel A yang berpindah sebanding dengan gradiet konsentrasi A dikalikan dengan sebuah konstanta. Untuk konsentrasi A yang tetap J A dapat dinyatakan dengan:

   −      =

DAB merupakan konstanta difusivitas A kedalam B, yang menyatakan kecepatan partikel A untuk berdifusi ke dalam B. Tanda minus menyatakan bahwa perpindahan molekul A relatif terhadap jumlah partikel A pada daerah yang lebih kaya konsentrasi A. Persamaan umum 3dimensi untuk J A fluks difusi yang dihasilkan karena perbedaan konsentrasi, bergantung pada fraksi mol pada hukum fick’s pertama:

   −   ∇   =

Dimana c adalah total konsentrai, D AB adalah difusivitas A dalam B, y A adalah fraksi mol A. Dengan begitu fluks molar A dapat dinyatakan dalam

   −  ∇           −  ∇      =

+

+

Atau dalam bnetuk konsentrasi A dimana c x y A = C A

=

+











Reaksi Katalisis

Katalis adalah suatu subtansi yang dapat mempercepat terjadinya reaksi kimia tanpa ikut bereaksi dengan reaktan maupun produk. Sebuah katalis biasanya mengubah laju reaksi dengan cara mengubah mekanisme dari suatu reaksi. Sebagai contoh, reaksi H 2 dan O2 yang biasanya lambat pada suhu ruang, dapat berlasung dengan cepat bila terekspos oleh platina. Kecepatan reaksi yang bertambah ini disebabkan oleh turunnya energi aktivasi reaksi H 2-O2. Sebagai ilustrasi dapat dilihat pada gambar berikut.

Dengan turunnya energi akitivasi reaksi H 2-O2 akan mudah terjadi, karena membutuhkan lebih sedikit energi dibandingkan dengan tanpa katalis. Yang perlu dicatan adalah katalis hanya mempercepat reaksi, tidak mengubah kesetimbang antara produk dan reaktan. Jenis Reaksi Katalisis Reaksi katalisis dapat dibagi menjadi 2 yaitu, homogen dan heterogen. 1. Reaksi Katalisis Homogen Reaksi ini terjadi saat katalis memiliki fasa yang sama dengan reaktan, biasanaya dalam fasa gas atau liquid. Contoh dari reaksi ini adalah reaksi antara ion persulfat dengan ion iodida. Reaksi ini 2-

terjadi dalam fasa cair. Ion persulfat (S 2O8 ) adalah oksidator yang sangat kuat. Ion iodida sangat mudah teroksidasi menjadi iodin. Reaksi antara keduanya dalam air sangat lambat. Persamaan reksinya sebagai berikut;

Reaksi diatas memerlukan dua ion saling bertumbukkan, tetapi karena keduanya bermuatan sama, maka gaya tolak menolak keduanya sangat besar. Untuk itu











Selanjutnya ion fe

3+

akan mengoksidasi ion iodida menjadi iodin, dan kembali menjadi

2+

ion fe .

Kedua reaksi ion fe ini akan menyebabkan lebih banyak tumbukan yang terjadi antara ion iodida dan ion persulfat. Hal ini menyebabkan laju reaksi akan bertambah cepat. 2. Reaksi Katalisis Heterogen Pengenalan

Reaksi ini terjadi saat katalis memiliki fasa yang berbeda dengan reaktan maupu produk yang dihasilkan. Umumnya katalis pada reaksi ini memiliki fasa padat, sedangkan reaktan memiliki fasa cair atau gas. Tahapan reaksi katalis heterogen adalah sebagai berikut -

Satu atau lebih reaktan akan teradsorpsi oleh permukaan katalis yang aktif. Disini reaktan akan bereaksi dengan permukaan katalis sehingga reaktan menjadi lebih reaktif.

-

Reaktan yang menempel pada permukaan katalis akan bertumbukkan dengan reaktan lain sehingga bereaksi menjadi sebuah produk.

-

Setelah produk terbentuk, katalis akan me-desorpsi produk dan terlepas dari permukaan katalis.

Contoh dari reaksi ini adalah hidrogenasi hidrogenasi etena dengan menggunakan menggunakan katalis

Ni.

Persamaan reaksinya sebagai berikut.

Molekul etena akan teradsopsi ke permukaan Ni, ikatan ganda pada karbon akan terputus dan mengikat pada permukaan Ni. Gas hidrogen yang juga teradsopsi ke permukaan Ni akan terputus ikatannya, menjadi atom H dan bergerak disekitar permukaan Ni. Saat atom-atom atom-atom H bertumbukkan bertumbukkan dengan ikatan Ni-karbon, maka akan akan terjadi ikatan antara karbon dengan hidrogen dan etana akan ter-deadsorpsi keluar dari permukaan Ni. Ilustrasi sebagai berikut.













Kinetika Reaksi Elementer: Adsorpsi, Desorospsi, dan Reaksi Permukaan

Pada saat reaktan teradsorpsi ke permukaan katalis, terjadi aktivasi reaktan oleh katalis dan secara tidak langsung terbentuk ikatan yang cukup kuat antara permukaan katalis dengan reaktan. Peristiwa ini disebut adsorpsi kimia. Adsorpsi kimia ini bersifat spesifik hanya pasangan katalis-subtrat tertentu yang dapat membentuk ikatan ini, dan adsorpsi kimia hanya terjadi pada layer pertama. Pada layer berikutnya hanya terjadi adsorpsi fisika, adsorpsi fisika hanya mengakibatkan melemahnya ikatan antar atom reaktan. Ilustrasi adsorpsi kimia dan fisika dapat dilihat pada gambar berikut











Gambar diatas menyatakan perubahan energi disosiasi H 2 berdasarkan jarak dengan logam Ni. Adsorpsi kimia terjadi pada layer pertama saat atom H membentuk ikatan dengan Ni, sedangkan adsorpsi fisika terjadi pada layer kedua, saat ikatan molekul H 2 melemah. Misal H2 adalah A dan katalis padat(Ni) adalah *, dengan konsentrasi permukaan [*], maka adsorpsi H 2 ke permukaan Ni

Dimana A* adalah atom H yang teradsopsi secara kimia, k ads ads dan k des des adalah kontanta adsorpsi dan desorpsi, maka persamaan laju adsorpsi A adalah

Karena laju adsorpsi pada kesetimbangan sama dengan nol, maka

Jika θ A adalah fraksi permukaan katalis yang terisi dengan permukaan katalis total, dan

[*]0 adalah total permukaan katalis, maka diperoleh persamaan

*A+, θ A , dan [*] dapat dinyatakan dalam bentuk K ads ads sebagai berikut:











Dengan laju reaksinya adalah

Atau

Kinetika Reaksi Overall

Diasumsikan terdapat reaksi-reaksi elementer yang terjadi pada permukaan katalis (adsorpsi reaktan, reaksi permukaan, dan desorpsi produk) dan interaksi antar molekul yang ters adsorpsi diabaikan, maka reaksi overall/ global yang terjadi adalah penjumlahan reaksi-reaksi elementer.

Dimana σi adalah jumlah reaksi stoikiometri yang terjadi berdasarkan persamaan reaksi

global. Laju reaksi global dapat ditulis sebagai berikut

Dengan asumsi bahwa persamaan pertama merupakan persamaan rate determining











Pada kondisi seperti ini, dimana hanya ada satu spesi yang muncul pada permukaan katalis ([N*]), maka spesi tersebut dikatakan most abundant reaction intermediate ( mari ). ). Laju reaksi global dinyatkan dengan:

Dengan [*] dan [N*] yang didapat dari step 2

Maka, persamaan reaksi global dapat dinyatakan sebagai

Saat konversi rendah (saat reaksi baru berlangsung), reaksi balik dapat diabaikan,

Pengaruh Perpindahan Massa Pada Laju Reaksi











Pada region 1 terjadi perpindahan massa eksternal, yaitu difusi reaktan melalui sebuah boundary tetap diluar partikel katalis. Sedang pada region 2 terjadi perpindahan massa

internal, yaitu difusi reaktan kedalam partikel katalis melalui pori-pori katalis. a. Pengaruh perpindahan massa eksternal Pada katalis padat reaksi terjadi pada permukaan katalis, oleh karena itu reaktan perlu melewati boundary tetap untuk sampai ke permukaan katalis. Profil konsentrasi reaktan pada boundary tetap dinyatakan oleh persamaan Stefan-Maxwell



∇      −     =

1

=1

Dimana Xi adalah fraksi mol komponen i, C adalah konsentrasi total, N i adalah fluks komponen i dan D ij difusifitas i ke dalam komponen j. Berikut adalah pro fil konsentrasi A dalam campuran AB (biner) pada tekanan tetap.

∇          −    ∇        =

1

Karena capuran biner, maka X B = 1 - XA persamaan diatas menjadi

1













Dengan kondisi seperti Gambar, maka hukum pertama Fick’s menjadi

   −         =

Karena fluks A harus tetap pada saat melewati boundary , maka turunan dari fluks = 0

=0

Dengan begitu, maka

   2

2

=0











Pada keadaan setimbang, laju reaksi pada permukaan katalis sama dengan f luks molar A.

       −            =

CAS dapat dinyatakan,

=

=

Subtusi C AS

+

           =

=

+

1

+

1

Konstanta overall yang teramati dapat dinyatakan dalam k s dan

        1

=

1

+

1



Maka laju reaksi yang teramati dinyatakan sebagai

=

Pengaruh difusional resistant terhadap laju reaksi yang teramati akan menyebabkan reaksi pada permukaan katalis sangat cepat, sehingga C AS dapat diabaikan

 











 ∆  −  →  ∆  ∆ =

=

∆Hr adalah panas reaksi yang dihasilkan per satu mol A/reaktan. Dari persamaan diatas

juga didapatkan korelasi antara perbedaan suhu dengan laju reaksi yang teramati, yaitu jika ∆T <
b. Pengaruh perpindahan massa internal Difusi molekul pada katalis bepori sangat tergantung pada dimensi dari pori-pori yang bersangkutan. Gambar dibawah ini menunjukkan tipikal nilai dari difusivitas gas sebagai fungsi ukuran pori. Perpindahan molekul pada pori yang sangat besar diatur oleh difusi molekuler, karena kemungkinan tumbukkan dengan partikel lainnya sangat besar dibandingkan dengan tumbukkan dengan dinding pori katalis. Pada ukuran yang kecil, tumbukan molekul-dinding lebih mendominasi ( knudsen regime)dan difusivitas menurun dengan turunnya ukuran pori. Jika ukkuran pori lebih kecil lagi akan terjadi difusi configurational karena hanya ada satu lapisan yang dapat masuk kedalam pori.











Hukum fick’s pertama dapat ditulis sebagai berikut

   −    =

DTA adalah difusivitas transisi. Subtitusi N A akan didapatkan profil konsentrasi A didala pori-pori katalis sebagai berikut.

         =

2











Φ Φ  −          Φ    −          cosh

=

1

x

cosh

Jika pori katalis tidak beraturan, N A menjadi

=

 

Dengan pelet)

=

adalah porositas (rasio volume kosong pada pelet terhadap total volume

adalah tortusitas (perbandingan panjang pori tak beraturan dengan pori ideal

nilainya lebih dari atau sama dengan 1), dan



adalah konstantas difusivitas efektif.

Pengunaan katalis padatan dapat berupa silinder, plat ( slab), ataupun sphere (bola). Perbedaan pada feometri katalis akan mempengaruhi η (efektifitas overall katalis) = (laju reaksi aktual/teramati)/ (laju reaksi yang dihasilkan bila semua bagian katalis terekspose) semakin mendekati 1 (η) maka katalis akan semakin efektif. Berikut perbandingan η untuk beberapa bentuk katalis:













Untuk kondisi non-isothermal, isobarik dan reaksi orde pertama pada permukaan, kesetimbangan massa dan energi dinyatakan dalam persamaan berikut

    2

2

=

  











Γ −  −∆   −Γ −    2

2

2

=

1

exp

1

Kedua persamaan dapat di ekspresikan dalam φ adalah Thiele modulus.

 Φ −Γ −    Γ −Φ −∆     −Γ −       −∆         2

2

=

2

exp

1

2

2

Bilangan prater β

=

2

exp

=

Maka neraca energi menjadi

1

1

1













 Γ   −   −∆      −          −∆            −    2

=1+

Maka hubungan antara suhu dengan konsentrasi adalah

=1+

=1+

=

1

1

+

Perbedaan Laju reaksi intrinsik dengan laju reaksi global/overall pada reaksi katalis heterogen Laju reaksi intrinsik Laju reaksi inrinsik menyatakan laju tiap-tiap step (adsopsi, reaksi pada

Laju reaksi global/overall Laju reaksi global/overall adalah laju reaksi pengurangan reaktan, yang dipengaruhi











Reaksi Bio Katalisis

Reaksi biokatalisis adalah reaksi yang menggunakan katalis alam, seperti enzim atau mikroba. Seperti halnya Ni pada contoh sebelumnya, enzim juga dapat mengurangi energi aktivasi sebuah reaktan.











Contoh reaksi pada enzim adalah dekomposisi urea menjadi CO 2 dan NH3 dengan menggunakan enzin urease. Tahapan reaksinya sebagai berikut: -

Enzim urease (E) bereaksi dengan substrat urea (S) dan membentuk enzim kompleks (E•S)

   →   ∙ ∗   ∙ ∗ →      ∙∗   →    1

+ 2 2 Enzim kompleks ini dapat terdekomposisi menjadi urease dan urea kembali 2

-

2

2

+ Enzim kompleks ini juga bisa membentuk CO2, NH3 dan urease bila bereaksi 2

-

2

2

2

dengan H2O 2

2

+

3

2

2

3

+

2

+

Jika E, S, W, E•S dan P adalah enzim, subtrat (urea), air, enzim -subtrat kompleks dan produk,

maka persamaan reaksi dari dekomposisi urea diatas menjadi:















   ∙       =

+

Subtitusi E•S dan susun ulang persamaan diatas: 2

=

2

+

+

3

3

Subtitusi E ke persamaan laju pengurangan subtrat didapat persamaan:

   











Referensi th

Fogler, H.Scott. Element of Chemical Reaction Engineering 4 edition. Prentice Hall. New York. 2006 Davis, Robert. J. and Mark. E. Davis. Fundamentals of Chemical Reaction Engineering. Mc Graw Hill. Boston. 2003

teknik reaksi kimia difusi.pdf

Recommend Documents