Reaksi Ganda Homogen Isothermal

Reaksi ganda (multiple reaction)reaksi serireaksi paralel

Reaksi seri-paralelReaksi independenReaktan lebih dari satu

Reaksi paralel

Review penulisan persamaan laju reaksi Untuk reaksi elementer berikut tuliskan persamaan laju reaksi : -rA, rR, rSk1=dalam L/mol A.sk2=dalam L/mol A.s

Jawab :Persamaan laju reaksi :Sehingga dapat dituliskan:

Tinjauan kualitatif distribusi produkTinjau reaksi paralel berikut :(diinginkan)Yang dapat dilakukan adalah: mengatur konsentrasi (C) dan T supaya mendapatkan produk R yg diinginkan dalam jumlah maksimum

..Tinjauan kualitatif distribusi produkUntuk reaksi paralel di atas :

.Tinjauan kualitatif distribusi produkBila a1< a2 maka a = -CA dijaga rendahReaksi fase gas : Tekanan (P) dalam sistem dikurangi.Menggunakan CSTRMemperbesar jumlah inert pada aliran umpan (feed)Menjaga konversi tetap tinggi

Tinjauan kualitatif distribusi produkBila a1> a2 maka a = +CA dijaga tinggiReaksi fase gas : Tekanan (P) dalam sistem diperbesarMenggunakan PFR atau batch reactor.Memperkecil jumlah inert pada aliran umpan (feed)

..Tinjauan kualitatif distribusi produkBagaimana bila a1 = a2???Apa yang bisa dilakukan????Jenis reaktor yang digunakan tidak mempengaruhi distribusi produk

Tinjauan kualitatif distribusi produkPengaruh suhu (T):Bila ER > ES :Harus bekerja dengan suhu (T) tinggiBila ER < ES :Harus bekerja dengan suhu (T) rendah

Kontrol distribusi dengan variasi k2/k1: 1. Perubahan temperatur operasi 2. Penggunaan katalis selektivitas dan mempercepat reaksi

Contoh model reaksi paralelBuah apel yang disimpan akan mengalami penyusutan berat. Turunnya massa apel ini diamati dan dicatat kemudian akan dibuat model persamaan yang tepat yang menggambarkan perilaku penyusutannya. Penyebab utama penyusutan apel diduga karena banyaknya air yang menguap melalui permukaan kulit apel serta terbentuknya gas etilen dan CO2 selama penyimpanan. Jika proses penyusutan apel dapat diasumsikan mengikuti model reaksi paralel dimana apel sebagai reaktan A, gas etilen adalah produk B, CO2 adalah produk C dan air adalah produk D, perkirakan berapa lama apel disimpan sampai kandungan berat apel turun 5% dari mula-mula. Berapakah gas etilen, gas CO2 serta air yang keluar dari buah apel tersebut?

.Model penyusutan berat buah apel selama penyimpananPenyimpanan pada suhu ruang:

Tinjauan kualitatif distribusi produkBagaimana bila terdapat 2 reaktan pada reaksi paralel ?(diinginkan)

Kombinasi konsentrasi dapat dilakukan dengan mengontrol konsentrasi umpan mengontrol salah satu reaktan (dibuat berlebih) dan menggunakan pola kontak yang tepatGambar 7.1 dan 7.2 LevenspielContoh 7.1 Levenspiel

Pola kontak pada berbagai kombinasi konsentrasi A dan B untuk sistem non kontinyuFigure 7.1 LevenspielA dan B dicampurpada saat yang samaA dan B dicampurperlahan-lahanDimulai dengan Adan B ditambahkanperlahanA

Pola kontak pada berbagai kombinasi konsentrasi A dan B untuk sistem kontinyuABCA, CB keduanya tinggiCA, CB keduanya rendahCA tinggi, CB rendahFigure 7.2 Levenspiel

Tinjauan kuantitatif Distribusi ProdukDalam evaluasi distribusi produk untuk reaksiparalel didefinisikan: dan

Untuk reaksi:

Pada berbagai CA dalam reaktor batch: = fraksi yield sesaat =

= fraksi yield overall =

Contoh reaksi paralelPolutan yang sering ditemukan di udara adalah: SO2, CO, partikulat, NO yang sangat mengganggu kesehatan manusia.Jika terjadi oksidasi secara langsung dari: SO2 + O2 SO3 NO + O2 NO2 CO + O2 CO2Jika dipilih suatu sistem di lokasi tertentu seperti gambar di atas dan dimodelkan sebagai PFR:

Model PFR isotermalPFR isotermalKonversi 80%SO2 =0,02%O2 = 20,5%N2 = 78,8%CO = 0,2%NO = 0,08%SO2O2N2CONOSO3CO2NO2Asumsi: Gas buangan mengikuti hukum gas ideal

Basis: 100 mol/jam gas buangan

Hitunglah laju alir molar gas keluar PFR! Hitunglah OverallFractional yield dari SO3 terhadap O2! sistem

Untuk Plug Flow CA berubah sepanjang reaktor

Untuk MFR CA = CAf di seluruh reaktor

Hubungan fraksi yield overall untuk PFR dan MFR :

Untuk MFR seri N reaktor ideal:

Fraksi yield overall = penjumlahan fraksi yield setiap reaktor

Secara umum dalam menghitung konsentrasi R:

Konsentrasi R pada keluaran :

Gambar 7.3 dan 7.4 levenspiel bentuk kurva vs CA dimana contacting patern mempengaruhi distribusi produk

Fraksional yield jika 2 atau lebih reaktan terlibat maka perhitungannya dapat didasarkan pada salah satu reaktan yang terkonsumsi, pada seluruh reaktan yan terkonsumsi, atau pada produk yang terbentuk

Selektivitas didefinisikan sebagai:

Diskusi: Example 7.2rR=1.CA1,5CB0,3 mol/(L.menit)rS=1.CA0,5CB1,8 mol/(L.menit)MFR:Dari hasil perhitungan diperoleh (R/A)=0,5. Bagaimana Anda menghitung CRf dan Csf?

Reaksi Seri=>Produk reaksi bereaksi membentuk produk lain

Contoh Reaksi SeriReaksi seri: ARSTReaksi seri paralel: A+BR R+BS S+BTSistem Denbigh ARS T UReaksi Reversibel-Irreversibel: A R S Reaksi Reversibel-Reversibel: A R S

ContohTerjadinya hujan asam: SO2 + O2 SO3Reaksi dengan uap air SO3 + H2O H2SO4 Sebutkan upaya2 untuk mengurangi hujan asam!

Reaksi Seri Irreversibel Orde SatuTinjauan kualitatif:dengan adanya cahaya

UNTUK REAKSI SERI IRREVERSIBEL, PEMBENTUKAN INTERMEDIATE SANGAT DIPENGARUHI OLEH KONDISI FLUIDA (KOMPOSISI) YANG DICAMPUR DALAM REAKSI

Jika produk intermediate merupakan produk yang diharapkan, mencampur fluida dengan komposisi yang berbeda tidak akan mendapatkan komposisi produk intermediate yang maksimum.PFRCSTRPFR lebih baik

Latihan:Manakah yang akan memberikan produk intermediate lebih besar dari pola kontak dalam reaktor berikut:aalaminarturbulenbb

Diskusi Kuantitatif: Batch Reactor ataupun PFRJika pada awal reaksi tidak terdapat produk R dan S, maka kita dapat menurunkan hubungan konsentrasi setiap komponen terhadap waktu sebagai berikut : reaksi unimolekulerTerjadi dalam reaktor batch ataupun PFR:Batch reactor (t)

. PFR atau BATCHPada PFR :Dari neraca mol A:Dari neraca mol R:Dari neraca mol S:

Konsentrasi intermediate maksimum adalah:Space time saat konsentrasi R maksimum:Pada reaktor batch: space time () diganti dengan waktu reaksi (t)...PFR atau BATCH

Perilaku reaksi unimolekuler:..REAKTOR PFR atau BATCHGambar 1:CRo = CSo = 0Diambil dari figure 8.3 a, b Levenspiel

Latihan-1: Reaksi seri terjadi dalam sebuah PFR. Umpan mengandung 10 mol/liter A dengan laju 100 L/menit. Harga k1=k2=0,2/menitPerkirakan konsentrasi R maksimum yang dapat dicapai dengan menggunakan PFR.Berapakah konversi reaktan A?Berapakah volume reaktor yang diperlukan?Berapakah konsentrasi A, R dan S pada aliran keluar reaktor?

Mixed Flow Reactor (CSTR)Untuk mengetahui hubungan konsentrasi terhadap waktu dibuat terlebih dahulu neraca bahan steady state dalam reaktor CSTRNeraca bahan komponen A :Bila persamaan tersebut dibagi dengan laju volumetrik v0 maka didapat :dimana m=V/vo

CSTRDengan cara yg sama dibuat neraca bahan komponen R dan S, didapat :Konsentrasi S:Sehingga:Konsentrasi R:

.CSTRKonsentrasi maksimum intermediate R dan waktu saat konsentrasi maksimum dengan menentukan dCR/dm=0Sehingga didapat :pada

Perilaku reaksi unimolekular: Gambar 2Diambil dari figure 8.5 a, b Levenspiel.CSTRCRo = CSo = 0

Keterangan grafikDari gambar 1.a dan gambar 2.a terlihat bahwa, kecuali jika k1=k2, PFR selalu membutuhkan waktu yang lebih pendek untuk mencapai konsentrasi R yang maksimum jika dibandingkan CSTR.Perbedaan waktu tersebut akan meningkat jika harga k2/k1 semakin jauh dari 1.Atau bisa dikatakan bahwa konsentrasi maksimum R yang dapat dicapai dalam PFR selalu lebih besar dibandingkan konsentrasi maksimum R yang dapat dicapai dalam CSTR.

Gambar 1.b dan gambar 2.b menggambarkan distribusi material selama reaksi berlangsung.Dari kurva tersebut bisa diperoleh konsentrasi S sebagai selisih antara CA0 dan CA + CR

Kurva perbandingan fractional yields R pada reaktor CSTR & PFRGambar 3

Keterangan gambar-3 :Gambar tsb menggambarkan kurva fractional yield komponen R sbg fungsi dari konversi A dan rasio konstanta laju reaksi.Kurva tsb memberikan 2 informasi penting yaitu menunjukkan bahwa fractional yield R dalam PFR selalu lebih besar dibandingkan fractional yield R dalam CSTR untuk semua level konversi dan kurva tsb memberikan informasi berapa konversi A yang harus direncanakan.

.Keterangan gambar-3 :Jika pada reaksi di atas k2/k1 jauh lebih kecil dari 1, kita harus merancang konversi A yg tinggi & ini bisa dicapai dengan cara merecycle reaktan yg tidak terkonversi.Namun jika k2/k1 lebih besar dari 1, fractional yield R akan turun meskipun saat konversi A masih rendah, shg untuk menghindarkan terbentuknya komponen S, kita harus mendesain agar konversi A per pass kecil, melakukan pemisahan terhadap komponen R dan me-recycle reaktan yg tidak terkonversi.

Reaksi seri dgn Orde berbedaOrde satu diikuti dengan orde nol :Pada reaktor batch atau PFR dgn CR0=CS0=0 didapat persamaan :dan

Konsentrasi maksimum intermediate R dan waktu yang dibutuhkan :

.Reaksi seri dgn Orde berbedaOrde nol diikuti dengan orde satu :K = k2/(k1CA0)dengan

Pada reaktor batch atau PFR dgn CR0=CS0=0 didapat persamaan :

CA/CAo=1-(k1t/CA0)

dan CR/CAo = (1/K)(1-e-k2t) untuk tCA0/k1

CRmax/CA0 =(1-e-K)/K

dan tRmax = CA0/k1

Reaksi seri dengan orde berbedaSulit diperoleh persamaan eksplisitnya (persamaan konsentrasi tiap spesies sebagai fungsi waktu)Digunakan metode numerikKurva konsentrasi versus waktu sangat dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan dalam umpan

Reaksi seri reversibelKompleksitas tinggi bahkan untuk reaksi orde 1Pembeda reaksi reversibel paralel dan seri adalah secara umum pada grafik konsentrasi produk (S) vs waktu adalah pada initial rate-nya, bila nol maka reaksi seri dan bila tidak nol berarti reaksi paralel

Reaksi Seri Paralel IrreversibelTerdiri dari tahapan reaksi seri dan tahapan reaksi paralelMisal :

Dengan asumsi reaksi irreversibel, bimolekular dan densitas konstan maka kecepatan reaksinya sbb :

Untuk reaktor Batch:

Analisa Kualitatif Reaksi Seri ParalelReaktan A dituang ke dalam wadah reaktan BCara 1

Reaktan B dituang ke dalam wadah reaktan A Analisa Kualitatif Reaksi Seri ParalelReaktan A dan B dituang bersama-samaCara 2Cara 3

Perbedaan dari 3 perlakuan :Cara 1 memberikan hasil yang berbeda dengan cara 2 dan 3 (cara 1 tidak menghasilkan R sedangkan cara 2 dan 3 menghasilkan R)Cara 1 sifat reaksi seri:

b. Tinggi rendahnya konsentrasi B tidak berpengaruh terhadap jalur reaksi dan distribusi produk. Reaksinya bisa ditulis dalam bentuk reaksi paralel dengan orde yang sama

Reaksi seri paralel dapat dianalisa berdasarkan tahapan reaksi serinya atau tahapan reaksi paralelnya di mana pemilihan metode pencampuran yang optimum untuk mendapatkan distribusi produk yang baik akan sama dengan tahapan reaksi seri atau paralelnya tersebut.

Analisa Kuantitatif Plug Flow atau Batch Reactor Untuk R adalah produk intermediate dan diinginkanJika CR0 =0, maka integrasinya menjadi

Dengan CR maksimumPFR atau Batch Reactor

Dari neraca bahan A diperoleh : CA0 + CR0 + CS0 = CA +CR + CS atau CA + CR + CS = 0 Dari neraca bahan B diperoleh : CB + CR + 2CS = 0

PFR atau Batch Reactor

CSTRDengan membuat neraca bahan A dan R akan diperoleh: Sehingga:

CSTRKonsentrasi R dihitung dengan:KOnsentrasi R maksimum:

Analisa Secara GrafisPlug Flow atau Batch Reactor

Mixed Flow Reactor

A, R, dan S mempunyai kelakuan seperti komponen reaksi orde satu pada reaksi seriDari gambar terlihat bahwa konsentrasi produk intermediate pada plug flow lebih tinggi dari pada mixed flow Garis dengan slope 2 pada grafik menunjukkan jumlah mol B yang terkonsumsi untuk sembarang titik pada kurva

Tidak akan memberikan perbedaan apakah B diberikan sedikit demi sedikit ataupun dalam jumlah banyakApapun reaktornya jika fraksional konversi dari A rendah maka fraksional yield R akan tinggiKondisi optimum untuk sistem reaksi ini adalah mengatur konversi perpass rendah dengan separasi untuk mengambil produk R dan merecycle A yang belum terkonversi

Sistem Polimerisasi

Denbigh ReactionSkema reaksi :

Skema reaksi di atas dapat direduksi menjadi :

Batch Reactor or Plug Flow ReactorUntuk CR0 = CS0 =CTo=CU0 = 0, maka

Untuk kasus CR = f (CA)

CSTR

Pada kondisi optimum

Analisa konstanta reaksi dengan data C vs Lihat inisial slope dari kurva dan ukur slopenya. Apakah slope sama atau tidak sama dengan nolUkur konsentrasi akhir dari masing-masing komponen Cari apakah intermediate produk mencapai kondisi maksimum dan ukur konsentrasinyaUntuk mencari model dan skema kinetika jalankan reaksi pada CA0 yang berbeda dan CB0/CA0 yang berbeda

Jika mungkin jalankan sistem dengan menggunakan CR0Jika dua reaksi seri mempunyai konstanta reaksi yang berbeda maka secara overall akan mempunya sifat seperti berikut :

Untuk skema yang melibatkan orde reaksi yang berbeda atau reaksi polimerisasi, maka analisanya menjadi kompleksKunci design optimum untuk multiple reaksi adalah pola kontak dan pola aliran yang baik dalam reaktor. Hal ini membutuhkan analisa stoikiometri dan kinetika. Analisa kualitatif berguna untuk memperoleh pola kontak yang tepat sedangkan ukuran reaktor sangat ditentukan dari analisa kuantitatif.

Tabel stoikiometriaAcCgAfC+eE+bB+dD B=NBo/NAo C=NCo/NAo

KompMula2reaksiakhirABC

DENAoNBoNCo

NDoNEo-NAoXA1-NAoXA2-b/aNAoXA1c/aNAoXA1-f/gNAoXA2d/aNAoXA1e/gNAoXA2NAo(1-XA1-XA2)NBo-b/aNAoXA1=NAo(B-b/aXA1)NCo+c/aNAoXA1-f/gNAoXA2=NAo(C+c/aXA1-f/gXA2)NDo+d/aNAoXA1=NAo(D+d/aXA1)NEo+e/gNAoXA2=NAo(E+e/gXA2)

=menyatakan perubahan jml mol thd 1 mol limiting reaktan

Untuk V berubah :