Teknik Reaksi Kimia 2 Rate L aw
-
Suatu peristiwa reaksi dapat di deskripsikan dengan suatu model rate processes, dimana konstanta reaksi kimia merupakan fungsi T
-
-r A adalah laju berkurangnya zat A per satuan volume, merupakan fungsi: o
Konsentrasi
o
Temperatur
o
Tekanan
o
Jenis katalis
-
-r A tidak tergantung dari jenis reactor yang digunakan
-
Untuk menghubungkan laju reaksi (-r A) dengan konsentrasi zat yang bereaksi dan temperature dimana reaksi terjadi digunakan persamaan aljabar. Misal :
2
-r A
= k CA
k
= A exp(-E/RT)
Konversi
-
Persamaan reaksi umum: aA + bB cC + dD jika dipilih A sebagai basis perhitungan, maka: A + b/a B c/a C + d/a D
-
Yang dipilih sebagai basis perhitungan adalah selalu reaktan pembatas
-
Satuan konversi: Jumlah mol yang bereaksi per jumlah mol umpan
Neraca Massa a.
Reaktor Batch
CA
V
1
Teknik Reaksi Kimia 2
∫ ∫ Misal
Maka, persamaan menjadi:
Dimana,
xA = konversi A
b.
Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB)
Steady state,
Misal
Maka, persamaan menjadi:
2
Teknik Reaksi Kimia 2
, - Dimana,
xA = konversi A
c.
residence time
Reaktor Plug Flow
Steady state,
Misal
Maka, persamaan menjadi:
3
Teknik Reaksi Kimia 2
∫ ∫ Neraca Panas
Dengan:
Dengan:
Dengan:
Jika ditulis secara keseluruhan, persamaan Neraca Panas menjadi:
{ ∫ ∫ } + +
4
Teknik Reaksi Kimia 2 Contoh Soal
1.
Suatu reaksi katalitik dilakukan dalam Fixed Bed Reactor pada fase gas. Reaksi yang terjadi adalah:
A 4C
Dengan, k
= konstanta laju reaksi (kmol/kg katalis.jam.kPa)
PA
= tekanan parsial reaktan A (kPa) o
Reaktan A murni sebanyak 2 kmol/jam diumpankan ke reactor pada suhu 117 C dan tekanan 3,2 atm. Hitunglah berapa kg jumlah katalis yang dibutuhkan dalam Fixed Bed Reactor (FBR) ketika konversi A 35% dan dianggap isothermal. -5
k 117 = 2,5626 10 kmol/kg kat.jam.kPa
Jawab:
5
Teknik Reaksi Kimia 2 A
4C
mula-mula
FA0
0
bereaksi
xA.FA0
xA.FA0
setimbang
FA0(1- xA)
xA.FA0
∫
diselesaikan dg cara trapezoidal
Reaksi Reversible
-
Reaksi yang dapat terjadi ke kedua arah atau bolak-balik sehingga reaktan tidak akan pernah habis. Reaktan Produk
-
Proses yang dibatasi adanya kesetimbangan (Equilibrium-Limited Processes) dari suatu reaksi reversibel. Contoh: N2 + H2 2 NH3
-
∆HR = -92 kJ/mol
+ + + Untuk reaksi reversible:
6
Teknik Reaksi Kimia 2 -
Laju reaksi maju akan besar di awal reaksi, ketika konsentrasi reaktan masih besar. Seiring dengan bertambahnya konsentrasi produk yang terbentuk, laju reaksi kea rah balik juga akan bertambah sehingga akan di capai harga yang sama dengan arah yang berlawanan. Pada titik ini dikatakan reaksi pada kesetimbangan dinamis.
-
Kesetimbangan dinamis adalah keadaan dimana perubahan kea rah maju dank e arah balik (reverse) memiliki laju yang sama sehingga saling membatalkan dan menghasilkan perubahan overall sama dengan nol.
Dan persamaan laju reaksinya akan menjadi suatu hubungan termodinamik yang menghubungkan konsentrasi molekul yang bereaksi pada kesetimbangan. -
Misalkan, reaksi umum: aA + bB
cC + dD
konsentrasi pada keadaan setimbang diberikan dalam hubungan termodinamika
-
Penulisan persamaan kinetika: Contoh:
k A
2 C6H6
C12H10 + H2 k -A
Dalam bentuk symbol k A 2A k -A
B+C
k A
= konstanta laju reaksi forward
k -A
= konstanta laju reaksi reverse
Laju berkurangnya A:
Laju terbentuknya B:
Laju netto pembentukan benzene:
7
Teknik Reaksi Kimia 2
* * o
Untuk reaksi eksotermis, konstanta kesetimbangan akan mengecil jika temperature meningkat.
o
Untuk reaksi endotermis, konstanta kesetimbangan akan membesar jika temperature meningkat.
-
* *
Perlu dievaluasi apakah persamaan kinetika pada reaksi di atas:
konsisten secara termodinamik pada keadaan setimbang? Secara termodinamik, konstanta kesetimbangan :
Pada keadaan setimbang
-
Menghitung konversi kesetimbangan, Contoh:
Reaksi dekomposisi Nitrogen tetraoxide menjadi Nitrogen dioksida, N2O4 (g) 2 NO2 (g) Fasa gas dengan reaksi reversible pada reactor batch. Suhu 340 K dan tekanan 2 atm. 3
Konstanta kesetimbangan, K C = 0,1 mol/dm .
8
Teknik Reaksi Kimia 2 Jawab:
A nA0
2B 0
xA. nA0
2 xA. nA0
nA0 (1- xA)
2 xA. nA0
ntotal
= nA0 (1- xA) + 2 x A. nA0
= nA0 (1+ xA)
Untuk gas ideal, Molaritas =
dan
Pada keadaan setimbang:
x = xe
Reaksi Kesetimbangan
* *
Ethyl benzene Styrene + hydrogen
maka:
9
Teknik Reaksi Kimia 2
pada saat setimbang, sehingga,
* [ *] [ *] Persamaan Van’t Hoff
Jika
bukan merupakan f(T) maka:
10
Teknik Reaksi Kimia 2 Latihan 1.
Reaksi dehidrogenasi katalitik ethyl benzene dilakukan di dalam Fixed Bed Reactor (FBR) vertical: C6H5C2H5 C6H5CH = CH2 ethyl benzene
styrene
+
H2 hidrogen
[ ]
Persamaan laju reaksi kimianya:
Reaksi endotermis, dengan panas reaksi: ∆HR = 60.000 Btu/mol
Prata-rata =1,2 atm (121 kPa) 3 3 Densitas bulk = 90 lb/ft (1.440 kg/m ) Harga konstanta laju reaksi kimia sebagai fungsi suhu diberikan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
lb.molstyrene/jam.atm.lb katalis
T dalam Rankine Feed: -3 Ethyl benzene = 1,7 x 10 kgmol/s -3 Steam = 34 x 10 kgmol/s 0 Cp rata-rata = 0,52 Btu/lb. F 0
T0 = 625 C = 898 K Susunlah PD pada proses tersebut!
En ergi Akti vasi
-
Pada umumnya reaksi kimia memerlukan sejumlah energy awal untuk ditambahkan agar reaksi dapat berjalan. Walaupun secara termodinamika d apat berjalan sendiri tapi energy dengan jumlah kecil tetap dibutuhkan sebagai pemacu awal.
-
Jadi, energy aktivasi merupakan representasi dari sejumlah kerja yang dibutuhkan untuk membawa reaktan berada dalam kondisi yang dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia.
11
Teknik Reaksi Kimia 2 -
Katalis hanya merubah reaksi kimia, namun tidak merubah kesetimbangan reaksi.
-
Perbedaan antara grafik energi aktivasi untuk reaksi eksotermis dan endotermis.
-
Hubungan energi aktivasi dengan temperature Energi aktivasi dapat menunjukkan seberapa sensitive suatu reaksi kimia terhadap temperature. Jika energi aktivasi besar, maka reaksi sangat sensitive terhadap temperature.
k
k = A exp(-E/RT)
ln k Ea tinggi
T
1/T 12
Teknik Reaksi Kimia 2 penyangga
Contoh: Ni/Al2O3 katalis: Ni pengemban: alumina
katalis penyangga berfungsi sebagai
tempat menempelnya katalis. Supaya logam yang
tertampung banyak, maka digunakan material berposi seperti Alumina (Al2O3), sedangkan katalis aktifnya adalah logam. Semakin banyak pori, semakin besar luas permukaannya, semakin banyak logam/katalis yang menempel, reaksi menjadi semakin efektif. -
Luas permukaan (surface area) ini menunjukkan tingkat porositas penyangga katalis yang merupakan porous material. Suatu porous material dengan surface area yang besar menunjukkan bahwa material tersebut sangat porous. Jika surface area besar, maka jumlah katalis aktif secara teoritis akan semakin besar.
Transfer Massa
-
Pada waktu dilakukan percobaan kinetika reaksi di laboratorium, laju reaksi kimia (r) yang teramati adalah laju reaksi global (yang di dalamnya terdapat laju transfer massa)
* * *
bukan laju reaksi yang sebenarnya. -
lapisan film
CAB permukaan partikel CAS
∆z z=0
ξ
z=ξ 13
Teknik Reaksi Kimia 2 BC : 1. z = 0; CA = CAB 2. z = ξ; C A = CAs dari BC (1)
. / Dari BC (2)
Maka,
Reaksi Katalisis
Sifat Reaksi Katalisis:
Katalisator tidak akan berubah pada akhir reaksi
Menurunkan tenaga aktivasi
Mempercepat reaksi
Berbanding lurus dengan konsentrasi katalisator
Tidak mengubah letak keseimbangan untuk reaski bolak balik
Langkah dalam Reaksi Katalisis 1.
Difusi molekul reaktan dari badan utama fluida ke permukaan luar pelet katalis
2.
Difusi molekul reaktan dari permukaan luar pellet ke bagian dalam melalui jaringan pori
3.
Adsorpsi molekul reaktan ke permukaan katalis
4.
Reaksi molekul reaktan pada permukaan katalis
5.
Desorpsi molekul produk dari permukaan katalis
6.
Dfusi molekul produk dari bagian dalam ke permukaan luar pellet melalaui pori
7.
Difusi molekul produk dari permukaan luar pellet ke badan utama fluida
14
Teknik Reaksi Kimia 2
-
Dalam perancangan reactor, bukan hanya laju reaksi kimia yang ditinjau saja, tetapi meliputi efek proses transfer secar keseluruhan. Laju secara keseluruhan tersebut disebut laju reaksi global atau overall.
-
Laju kimia yang sebenarnya terjadi adalah reaksi di permukaan katalis aktif (yang berada di ujung pori partikel penyangga).
15
Teknik Reaksi Kimia 2 1. Difusi molekul reaktan dari badan utama fluida ke permukaan luar pelet katalis
[ *]
Difusi melalui lapisan film stagnan (eksternal)
Dimasukkan ke persamaan Ficks
2. Difusi molekul reaktan dari permukaan luar pellet ke bagian dalam melalui jaringan pori
-
Contoh, kita tinjau reaksi fase gas: A(g) B(g) Membutuhkan katalis padat, misalnya reaksi dilakukan pada suhu konstan dengan
melewatkan reaktan melalui tumpukan partikel katalis yang tidak porous
la isan film
Dengan, CAB
= konsentrasi A di bulk (badan utama)
CAS
= konsentrasi A di surface (permukaan partikel)
DAB
= difusifitas A dalam B
k
= koefisien laju transfer massa
kr
= konstanta laju reaksi kimia
tidak porous (pejal)
16
Teknik Reaksi Kimia 2
Karena partikel tidak berpori, maka katalis aktif hanyalah di permukaan luar partikel.
Dengan, r As’
= laju reaksi A pada permukaan (interfase)
kr
= konstanta laju reaksi kimia
CAS
= konsentrasi A di interfase
Asumsi, konsentrasi A di surface = konsentrasi A di interfase
Sehingga A yang terkonversi menjadi B dinpermukaan harus digantikan oleh A baru
yang di transfer dari bulk (badan utama) gas ke permukaan partikel.
Dengan, NA
= fluks mol A ke permukaan (interfase)
k g
= koefisien transfer massa (di gas)
CAB
= konsentrasi A di bulk (badan utama gas)
CAS
= konsentrasi A di surface (permukaan partikel)
Pada keadaan steady state, laju reaksi sama dengan laju transfer massa sehingga dapat
() ( ) ( ) mengeliminasi CAS yang sukar untuk diukur.
17
Teknik Reaksi Kimia 2
Maka,
Jika transfer massa lebih cepat dari reaksi di permukaan:
Jika reaksi berjalan sangat cepat:
Difusi Dalam Pori
-
Untuk memudahkan deskripsi, jaringan pori di analogikan sebagai silinder lurus
-
Namun, pori-pori tentu saja tidak lurus, sesuai dengan kompleksitas jaringan
3. Adsorpsi molekul reaktan ke permukaan katalis
-
Pada reaksi katalitik, agar reaksi permukaan dapat terjadi maka reaktan harus menempel pada permukaan katalis.
-
Adsorbsi yang terjadi di sini adalah adsorbs kimiawi, di sini atom atau molekul reaktan tertambat pada permukaan katalis seperti ikatan kimia antar atom dalam molekul, akibatnya struktur electron dari molekul yang tertambat tersebut akan terganggu dan menjadi reaktif sehingga dapat terjadi reaksi kimia di pe rmukaan katalis aktif.
18
Teknik Reaksi Kimia 2 -
Model reaksi permukaan (Surface Reaction)
: permukaan reaktan (dinding pori material penyangga) : situs aktif (permukaan katalis) -
Molekul A bertemu dengan situs aktif S akan teradsorbsi menjadi A.S, ditulis:
.
A + S A S -
Rate of adsorbsion = k a. Pa. Cv
-
Rate of desorpsion = k d. CAs Cv = vacant concentration PA = tekanan parsial A
-
Beberapa model Reaksi Permukaan: 1. Langmuir – Hinselwood
2. Eley – Rideal
19
