TEKNIK REAKSI KIMIA II

(1)

TEKNIK REAKSI

KIMIA II

LUQMAN BUCHORI, ST, MT

(2)

DAFTAR PUSTAKA

1.

Levenspiel

, O., 1972,

“

Chemical Reaction Engineering

”

,

second edition, John Wiley & Sons, New York.

2.

Smith, J.M., 1981,

“

Chemical Engineering Kinetics

”

,

third edition, McGraw

-

Hill Book Company, Tokyo.

3.

Fogler

, H.S., 1992,

“

Element of Chemical

Reacion

Engineering

”

, second edition, Prentice

-

Hall

I nternational, I nc., New Jersey.

4.

Hill, C.G., 1977,

“

An I ntroduction to Chemical

Engineering Kinetics & Reactor Design

”

, John Wiley &

Sons, New York.

5.

Twigg

, M., 1989,

“

Catalyst Handbook

”

, second edition,

Wolfe Publishing Ltd. England.

(3)

MATERI

1.

Reaksi

Katalitis

Heterogen

Mekanisme

reaksi

katalitis

Sifat

-

sifat

fisik

dari

katalis

Kinetika

reaksi

katalitis

heterogen

Menentukan

persamaan

kecepatan

reaksi

katalitis

2.

Reaksi

Heterogen

Non

Katalitis

Macam

-

macam

reaksi

heterogen

Persamaan

kecepatan

untuk

reaksi

heterogen

3.

Reaksi

Gas

-

Padat

4.

(4)

Chemical Engineering Tools

1.

Neraca

Massa

2.

Neraca

Panas

3.

Kesetimbangan

4.

Proses

-

proses

kecepatan

(Rate Process),

baik

yang

bersifat

fisis

(

perpindahan

momentum,

perpindahan

panas

dan

perpindahan

massa

)

maupun

yang

bersifat

kimia

(

kinetika

kimia

)

5.

Ekonomi

6.

Humanitas

(5)

Physical treatment

steps

Chemical treatment

steps

Physical treatment

steps

Raw

materials Products

Recycle

Typical Proses Kimia

TRK II

Neraca massa Differensial, Integral, Aljabar, Numerik

Thermodinamika (Keseimbangan)

Data bersama

- Per. Panas

- Per. Massa

- Evaluasi Ekonomi

- dll

(6)

Definisi kecepatan/laju reaksi

Neraca massa Katalisator padat

Memilih model

Menentukan langkah yang paling berpengaruh Merumuskan

persamaan laju reaksi

Menghitung laju reaksi/persamaan laju reaksi

- heterogen katalitis

pereaksi gas & kat. padat - heterogen non katalitis

Diferensial & Integral Numerik

(7)

TRK II mempelajari tentang

KINETIKA REAKSI dan KATALIS

Kinetika Reaksi dan Katalis

→

ilmu yang mempelajari tentang

kecepatan reaksi kimia secara kuantitatif, di

dalamnya

termasuk

mempelajari

mekanisme

reaksi, menentukan

tetapan

kecepatan reaksi dan pengaruh

peubah-peubah pada kecepatan reaksi

Mekanisme Reaksi

→

perubahan struktur atom dalam molekul zat

pereaksi selama reaksi berlangsung untuk

membentuk zat hasil reaksi

Katalisator

→

zat-zat yang dapat mempercepat/memperlambat

reaksi yang pada akhir reaksi zat tersebut akan

dilepas kembali

A + B →H C + D

(8)

Species Kimia → elemen kimia dengan identitas tertentu

Identitas dinyatakan dengan :

Jumlah atom

Konfigurasi (rumus bangun)

Terjadi reaksi jika suatu spesies kehilangan identitasnya baik dengan perubahan macam, jumlah atau konfigurasinya

Ada 3 cara sebuah spesies kimia kehilangan identitasnya :

1. Dekomposisi : Molekul terurai menjadi molekul-molekul atau atom yang lebih kecil

2. Kombinasi : antara atom atau antara molekul

(9)

Kecepatan/laju reaksi kimia dapat ditunjukkan dalam

beberapa cara :

[

Terhadap berkurangnya reaktan

[

Terhadap terjadinya produk

Misal :

A + B

→

C + D

Kecepatan/laju reaksi bisa didasarkan terhadap reaktan :

A

→

- r

_A

berkurangnya A

B

→

- r

_B

berkurangnya B

Jika didasarkan terhadap hasil maka :

(10)

Kecepatan/laju reaksi didasarkan terhadap produk

[

Didasarkan pada volume fluida :

(

volume fluida

)(

waktu

)

terbentuk yang

i mol dt

dN V

1

r_i = i =

[

Didasarkan pada volume reaktor :

(

volume reaktor

)(

waktu

)

terbentuk yang

i mol dt

dN V

1

r_i = i =

[

Didasarkan pada massa padatan, untuk sistem fluida-padat :

(

massa padatan

)(

waktu

)

terbentuk yang

i mol dt

dN W

1

(11)

Kecepatan/laju reaksi didasarkan terhadap reaktan

[

Didasarkan pada volume fluida :

(

volume fluida

)(

waktu

)

A mol ya berkurangn dt dN V 1

r_A = A = −

[

Didasarkan pada volume reaktor :

(

volume reaktor

)(

waktu

)

A mol ya berkurangn dt dN V 1 r A r

A = =

−

[

Didasarkan pada massa padatan, untuk sistem fluida-padat :

(

massa padatan

)(

waktu

)

A mol ya berkurangn dt dN W 1

r_A = A = −

[

Didasarkan pada luas antar muka dalam sistem 2 fluida atau

pada luas padatan pada sistem padat-gas :

(

luas

)(

waktu

)

A mol ya berkurangn dt dN S 1

(12)

REAKSI KATALITIS HETEROGEN

Peran

katalisator

pada

reaksi

katalitis

:

Katalisator

dapat

merubah

kecepatan

reaksi

“overall

“

overall”

”

Katalisator

berfungsi

membentuk

zat

intermediate yang

memudahkan

terjadinya

reaksi

Katalisator

tidak

merubah

kondisi

seimbang

tetapi

hanya

mempercepat

reaksi

→

K=k/k

K=

k/k

’

K =

konstante

kesetimbangan

k

dan

k

’

=

konstante

kecepatan

reaksi

ke

kanan

dan

ke

kiri

Langkah

reaksi

katalitis

terjadi

pada

permukaan

katalitis

dan

penyebaran

reaksi

terjadi

hanya

berjarak

satu

diameter atom

Reaksi

katalitis

akan

berjalan

lebih

cepat

daripada

reaksi

tanpa

katalis

(13)

Mekanisme

Reaksi

Katalitis

Reaksi Katalitis Homogen

Contoh : Hidrolisa ester dengan katalis asam

Mekanisme reaksinya :

1. CH3COOC2H5 + H+ ⇔ CH

3COOC2H5 (H+) ∆G1*

2. CH₃COOC₂H₅ (H+_{) + H}

2O ⇔ C2H5OH + H+ + CH3COOH ∆G2*

Jika reaksi berlangsung tanpa katalis :

CH3COOC2H5 + H2O ⇔ CH3COOH + C2H5OH ∆G*

∆

G = tenaga bebas aktivasi

∆G₁* _<∆_G* _dan ∆_G

2* < ∆G*

Sehingga reaksi katalitis berjalan lebih cepat daripada reaksi non

katalitis

Zat antara Katalis

Katalis

(14)

Reaksi Katalitis Heterogen

Contoh : hidrogenasi etilen dengan katalis padat

Mekanisme reaksinya :

1. C₂H₄ + X₁ ⇔ C₂H₄X₁ ∆G₁*

2. H₂ + C₂H₄ X₁ ⇔ C₂H₄ (X₁) H₂ ∆G₂*

3. C₂H₄ (X₁) H₂ ⇔ C₂H₆ + X₁ ∆G₃*

Jika reaksi berlangsung tanpa katalis :

C₂H₄ + H₂ ⇔ C₂H₆ ∆G*

∆

G = tenaga bebas aktivasi

∆G₁* _<∆_G* _; ∆_G

2* < ∆G* ; ∆G3* < ∆G*

(15)

Type Partikel Katalis

Pellet

–

Bentuk

silinder

–

Lebih

berat

dan

kuat

daripada

jenis

granular

dan

extrusions

–

Berukuran

5 –

5

–

20 mm

–

Kadang-

Kadang

-kadang

kadang

berbentuk

raschig

ring

Extrusions

–

Berbentuk

silinder

panjang

tidak

beraturan

–

Kadang

berbentuk

seperti

clover

-

leaf

–

Rapat

massa

<

rapat

massa

pellet

–

Berukuran

diameter

±

1 mm

Granular

–

Bentuk

bulat

–

Rapat

massa

<

rapat

massa

pellet

–

(16)

Sifat

Fisik

Katalis

1.

Luas

permukaan

katalis

[

Semakin

halus

katalis

, jalannya

,

jalannya

reaksi

semakin

efektif

2.

Volume

pori

(V

_g_g

)

a.

Katalis

dididihkan

dengan

zat

cair

misalnya

air.

Setelah

udara

dalam

pori-

pori

-pori

pori

diganti

zat

cair,

cair

,

katalis

dikeringkan

dan

ditimbang

b.

Helium

–

mercury method

9

9 KatalisKatalis dimasukkandimasukkan dalamdalam ruangruang yang yang diisidiisi gas He, gas He, makamaka volume volume He yang

He yang dipindahkandipindahkan kataliskatalis = volume = volume zatzatpadatpadat sajasaja ((VV_He_He))

9

9 KatalisKatalis yang yang beratnyaberatnya samasama dimasukkandimasukkan dalamdalam air air raksaraksa dandan diukur

diukur air air raksaraksa yang yang dipindahkandipindahkan. . KarenaKarena air air raksaraksa merupakanmerupakan zat

zat beratberat makamaka taktak dapatdapat masukmasuk keke dalamdalam poripori. . JadiJadi volume yang volume yang dipindahkan

dipindahkan merupakanmerupakan volume volume zatzat padatpadat ditambahditambah volume volume poripori (

(VV_Hg_Hg))

katalis berat V V V katalis gram pori

Volume Hg He g

− =

=

(

)

(

berat jenis zat cair

)(

berat katalis

)

cair zat diisi pori pori sesudah katalis berat n pertambaha

(17)

3.

Density

[

Density solid

[

Density

partikel

4.

Porosity

padat zat volume katalis berat s = ρ pori volume padat zat volume katalis berat partikel volume katalis berat

p = = ₊

ρ 1 V V partikel 1 total volume pertikel 1 pori volume s g s g

p _ρ ₊

ρ = = ε p g p V total volume pori

volume ₌ _ρ =

ε

(18)

Kecepatan

Reaksi

Katalitis

Heterogen

Tahap

-

tahap

dalam

reaksi

katalitis

heterogen

:

1.

Transfer

massa

(

difusi

)

reaktan

(

misal

: species A)

dari

“

bulk fluid

”

ke

interface

yaitu

batas

antara

fluida

dengan

permukaan

padatan

(external diffusion)

2.

Jika

katalisator

porous

maka

terjadi

difusi

reaktan

dari

mulut

pori

ke

dalam

pori

katalisator

3.

Adsorpsi

reaktan

A

pada

puncak

aktif

(

situs

aktif

)

di

permukaan

katalisator

4.

Reaksi

pada

permukaan

katalisator

(

misal

: A

→

B)

5.

Desorpsi

produk

(

misal

B)

dari

permukaan

katalisator

6.

Difusi

hasil

dari

permukaan

katalisator

atau

jika

berpori

,

ke

mulut

pori

pada

bagian

luar

katalisator

7.

Transfer

massa

(

difusi

)

hasil

dari

bagian

luar

katalisator

(19)

(20)

Kecepatan

reaksi

katalitis

ditentukan

oleh

langkah 3, 4 dan 5.

Langkah 1, 2, 6, 7 dapat diabaikan karena

tahanan sangat kecil.

(21)

KECEPATAN ADSORPSI PADA PERMUKAAN KATALIS

Misal reaksi :

A + B

C

Supaya reaksi tersebut dapat berlangsung, satu atau keduanya

harus diadsorpsi.

Adsorpsi gas A :

A + s

A

_s

k_A k_A’

( )

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

θ

−

θ

−

θ

=

A A v A A A ' A v A A A a

K

p

k

p

k

r

p_A = tekanan parsiil gas A pada permukaan θ_A = fraksi puncak aktif pd permukaan

katalis yang ditempati A

θ_v = fraksi puncak aktif yang kosong k_A, k_A’ _{= konstanta kecepatan adsorpsi dan}

desorbsi A

(22)

Jika adsorpsi berjalan cepat, maka adsorpsi gas A selalu dalam

keadaan setimbang sehingga (r

_a

)

_A

= 0

v A A

A

=

K

p

θ

Adsorpsi gas B

B + s

Bs

Jika adsorpsi berjalan cepat, (r

_a

)

_B

= 0

k_B

k_B’

v B B

B

=

K

p

θ

(23)

Reaksi Permukaan

Mekanismenya tergantung sifat reaksi.

Misalnya reaksi :

A + B

C

Mekanisme yang mungkin terjadi :

1.

A teradsorpsi + B fase gas

C teradsorpsi

2.

A teradsorpsi + B teradsorpsi

C teradsorpsi

3.

A fase gas + B teradsorpsi

C teradsorpsi

Ditinjau kemungkinan

1

dan

2

1. Reaksi permukaan :

A

_s

+ B

C

_s

Jika reaksi berjalan cepat, r

_s

= 0

k_s

k_s’

s B

C A

K

p

(24)

2. Reaksi permukaan :

A

_s

+ B

_s

C

_s

+ s

Jika reaksi berjalan cepat, r

_s

= 0

k_s k_s’

B A

v C s

K

θ

=

Desorpsi hasil (C)

C

_s

C + s

Jika desorpsi C berjalan sangat cepat maka r

_d

= 0

k_C

k_C’

v C C

C

=

K

p

θ

(25)

MENENTUKAN PERSAMAAN KECEPATAN REAKSI KATALIS

Persamaan kecepatan reaksi katalitis dapat ditentukan jika diketahui langkah mana yang menentukan (yang berjalan paling lambat). Jika suatu langkah menentukan, maka langkah-langkah yang lain berjalan sangat cepat dan dalam kesetimbangan. Selanjutnya persamaan kecepatan reaksi dijabarkan dari persamaan kecepatan dari langkah yang menentukan.

Jumlah situs aktif di permukaan katalis = 1

Misalnya reaksi :

A + B C

Mekanisme reaksinya adalah sbb :

A + s A_s

B + s B_s

A_s + B_s C_s + s

(26)

1.

Reaksi permukaan merupakan langkah yang menentukan

Adsorpsi A, adsorpsi B dan desorpsi C berjalan cepat dan dalam keadaan kesetimbangan

2. Adsorpsi A merupakan langkah yang menentukan

Adsorpsi B, reaksi permukaan dan desorpsi C berjalan cepat berada dalam kesetimbangan

(

)

(

)

2

(27)

3. Desorpsi C merupakan langkah yang menentukan

Adsorpsi A, adsorpsi B dan reaksi permukaan berjalan cepat

dan berada dalam keadaan setimbang

(

_A _A _B _B _C _A _B

)

C B

A C

d

p

K

p

K

p

K

1

K

p

K

k

r

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

(28)

Pedoman untuk menjabarkan laju reaksi permukaan :

Koefisien

pada

reaksi

permukaan

akan

menjadi

pangkat

pada

persamaan

laju

reaksi

Jika

reaksi

katalitis

merupakan

reaksi

dapat

balik

maka

reaksi

permukaan

juga

merupakan

reaksi

dapat

balik

Zat

pereaksi

dan

zat

hasil

(yang

teradsorpsi

pada

permukaan

)

katalisator

dinyatakan

dengan

fraksi

situs

aktif

yang

ditempati

oleh

zat

pereaksi/zat

hasil

Zat

pereaksi

atau

zat

hasil

yang

tidak

teradsorpsi

pada

permukaan

katalisator

dinyatakan

dengan

tekanan

parsiil

pada

permukaan

katalisator

(p

_i_i

)

Puncak

aktif

kosong

yang

ikut

bereaksi

dinyatakan

dengan

fraksi

puncak

aktif

kosong

(

θ

_v_v

)

dengan

memperhitungkan

semua

gas

pereaksi

, gas

hasil

dan

gas inert yang

teradsorpsi

pada

permukaan

katalisator

Situs

aktif

sebelah

kiri

dan

sebelah

kanan

anak

panah

pada

persamaan

reaksi

harus

sama

.

75%

semua

reaksi

heterogen

umumnya

reaksi

kimia/permukaan

merupakan

(29)

Contoh :

Suatu reaksi mengikuti persamaan reaksi

A B + C

Kemungkinan reaksi permukaan adalah :

As Bs + C

As B + Cs

As + s Bs + Cs

As B + C + s

Adsorpsi Assosiasi :

A + s As

Adsorpsi Dissosiasi :

A₂ + 2s 2 As

k_A k_A’

k_A

’

(30)

Contoh pereaksi mengalami dissosiasi : Misal suatu reaksi

A₂ R + P

A₂ teradsorpsi dan mengalami dissosiasi Mekanisme reaksinya adalah :

Adsorpsi : A₂ + 2s 2 As

Kemungkinan reaksi permukaan yang terjadi 1. 2 As Rs + P + s 2. 2 As R + Ps + s 3. 2 As Rs + Ps

4. 2 As R + P + 2s

Desorpsi : Rs R + s

Misalkan langkah yang menentukan adalah reaksi kimia/permukaan 1 maka adsorpsi A₂ dan desorpsi R selalu dalam kesetimbangan.

Persamaan laju reaksi katalitiknya adalah :

(

)

(

)

2

(31)

PERSAMAAN KECEPATAN REAKSI KATALITIS

Jika diketahui data-data hasil percobaan, persamaan kecepatan

reaksi katalitis ditentukan dengan jalan sebagai berikut :

a. Trial untuk mekanisme reaksinya.

b. Dicari

kemungkinan-kemungkinan

persamaan

kecepatan

reaksinya

dan

bentuk

persamaan

dibuat

sesederhana

mungkin.

(32)

Contoh 1 :

Tentukanlah persamaan kecepatan reaksi katalitis untuk reaksi :

A

B + C

Jika dari percobaan yang dilakukan pada 741

o

C didapat data-data

sbb :

A r 1

−

t (waktu) 315 750 1400 2250 3450 5150

p_B 10 20 30 40 50 60

p_A 85 75 65 55 45 35

(terhitung) 26,7 55,9 73,1 97,7 142,8 196

(33)

Penyelesaian :

Kemungkinan I : Gas A teradsorpsi pada permukaan katalis.

B B A A A A p K p K 1 p k r + + =

− B _B

A A A A

p

k

K

p

k

K

k

1

r

p

=

+

−

B A

C

p

B

A

y

=

+

Dimana A = 1/k, B = K_A/k, C = K_B/k, dan y = p_A/(-r_A)

Dicari dengan teori Least Square yaitu dengan Metode Kuadrat Terkecil

(

)

∑

+

−

=

2

B A

C

p

y

p

B

A

H

Nilai H minimum jika :

(34)

p_A p_B 1/-r_A y = p_A/-r_A p_A2 _p

ApB PB2 pAy pBy

85 10 26,7 2.270 7.225 850 100 192.950 22.700

75 20 55,9 4.193 5.625 1.500 400 314.475 83.860

65 30 73,1 4.752 4.225 1.950 900 308.880 142.560

55 40 97,7 5.374 3.025 2.200 1.600 295.570 214.960

45 50 142,8 6.426 2.025 2.250 2.500 289.170 321.300

35 60 196 6.860 1.225 2.100 3.600 240.100 411.600

360 210 592,2 29.875 23.350 10.850 9.100 1.641.145 1.196.980

Kemungkinan II : Gas A tidak teradsorpsi

B B

A s A

p

K

1

p

k

r

+

=

−

B _B

A

p

k

K

k

1

r

p

=

+

−

B

p

B

A

y

=

+

(35)

Contoh 2 :

Reaksi katalisis dengan katalis padat menghasilkan gas hasil sesuai

dengan persamaan :

A

B

Dari percobaan laboratorium didapatkan data-data sbb :

Tekanan total,

atm 1,25 2,5 4,5 6,0 8,0 -r_A0 , lbmol/

(jam)(lb.kat) 3,38 5,21 6,87 7,60 8,20

A r 1

−

Tentukan persamaan kecepatan reaksi yang sesuai dan hitung

harga-harga konstantenya.

Pada keadaan awal tidak ada gas B

(36)

Penyelesaian :

Mekanisme Reaksi :

A + s As

As Bs

Bs B + s

I. Langkah yang menentukan : Adsorpsi A

B B A A

p

A

1

K

p

k

r

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

=

−

pB= 0

- r_A0 = k p_A = k p_t

II. Langkah yang menentukan : Reaksi Permukaan

B B A A B A A s A p K p K 1 K p p K k r + + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₋ =

− A _t

0 A t

p

k

K

k

1

r

p

+

=

−

t A t 0 A p K 1 p k r + = − t

p

B

A

(37)

III. Langkah yang menentukan : Desorpsi B

(

_A _B

)

_A

B A B A

p

K

1

K

p

K

k

r

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

=

−

t t 0 A

p

A

1

p

k

r

+

=

−

_t 0 A t

p

k

A

k

1

r

p

=

+

−

t

p

'

B

'

A

(38)

REAKSI HETEROGEN NON KATALITIS

Reaksi heterogen dipengaruhi oleh variabel-variabel yang menentukan

kecepatan reaksi dan variabel-variabel yang menentukan kecepatan

perpindahan massa, yaitu :

1.

Luas

permukaan

bidang

persentuhan

a.

a. MenghaluskanMenghaluskan zatzat padatpadat b.

b. MenyemprotkanMenyemprotkan zatzat caircair melaluimelalui nozzlenozzle c.

c. MendispersikanMendispersikan zatzat caircair

2.

Kecepatan

difusi

zat

alir

ke

dan

melalui

lapisan

batas

yang

dipengaruhi

oleh

:

a.

a. TekananTekanan gasgas b.

b. KecepatanKecepatan relatifrelatif daridari keduakedua fasefase c.

c. SuhuSuhu campurancampuran d.

d. SifatSifat--sifatsifat fisisfisis daridari zatzat pereaksipereaksi dandan bentukbentuk tempatnyatempatnya

3.

Kecepatan

difusi

dari

zat

hasil

menjauhi

daerah

reaksi

Hanya

(39)

MACAM-MACAM REAKSI HETEROGEN

1.

1. Gas Gas –– padatpadat

a.

a. PembakaranPembakaran arangarang batubatu b.

b. PembuatanPembuatan HH₂₂ daridari uapuap air air dandan besibesi c.

c. PembuatanPembuatan SOSO₂₂ dengandengan pembakaranpembakaran piritpirit

2.

2. CairCair –– padatpadat

a.

a. Ion exchangeIon exchange b.

b. HidrasiHidrasi CaOCaO c.

c. PembuatanPembuatan HH₃₃POPO₄₄ daridari batubatu phosphatphosphat dandan HH₂₂SOSO₄₄

3.

3. Gas Gas –– caircair

a.

a. PenyerapanPenyerapan COCO₂₂ dengandenganMEA (Mono MEA (Mono EtilenEtilen AminAmin)) b.

b. PenyerapanPenyerapan NONO₂₂ dalamdalam air (air (pembuatanpembuatan HNOHNO₃₃)) c.

c. HidrogenasiHidrogenasi minyakminyak

4.

4. CairCair –– caircair

a.

a. PembuatanPembuatan NaOHNaOH b.

b. PembuatanPembuatan sabunsabun dengandengan reaksireaksi antaraantara lemaklemak dandan larutanlarutan NaOHNaOH c.

c. NitrasiNitrasi zatzat organikorganikdengandengan asamasam nitratnitrat

5.

5. PadatPadat –– padatpadat

a.

a. PembuatanPembuatan semensemen b.

b. PembuatanPembuatan CaCCaC₂₂ daridari CaOCaO dandan CC c.

(40)

PERSAMAAN KECEPATAN REAKSI UNTUK REAKSI HETEROGEN

Persamaan kecepatan untuk reaksi heterogen diperhitungkan dari kecepatan perpindahan massa dan kecepatan reaksi kimia.

Jika r₁, r₂, … , r_n adalah kecepatan perubahan masing-masing proses, maka jika perubahan terjadi secara paralel

Jika perubahan terjadi secara berurutan, maka pada keadaan steady state

Kecepatan perpindahan massa :

Kecepatan reaksi kimia :

∑

=

n

1 i

i

overall

r

n 2

1

overall

r

...

r

=

dt dN S 1

Q_perpindaha_n = A

dt dN S 1 r

(41)

Contoh :

Reaksi irreversible : A (g) + B (s) R (g)

Gas A terdifusi melalui lapisan ke bidang permukaan zat padat B. A dan B bereaksi menjadi R. R terdifusi kembali ke dalam fase gas

Tuliskan bentuk kecepatan reaksi secara keseluruhan untuk :

1. Kecepatan reaksi tingkat 1

2. Kecepatan reaksi tingkat 2

Penyelesaian :

1.

2.

g overall s

g

Q

k

C

Q

=

−

(

s g g

)

2 g g

g s s

g s

g

2

k

C

k

4

k

C

k

2

k

Q

(42)

REAKSI HETEROGEN GAS

–

CAIR

Reaksi heterogen gas-cair dilakukan dengan tujuan :

1.

Untuk memperoleh hasil akhir yang bernilai lebih tinggi

Contoh : - CO₂ + NaOH Na₂CO₃ + H₂O

- SO₃ + H₂O H₂SO₄

- gas CO₂ + lar. amonia am. karbonat

- oksidasi aldehid asam

- chlorisasi benzene H.C. lain - absorbsi NO₂ dalam air HNO₃ - absorbsi SO₃ dalam H₂SO₄ oleum

2.

Memisahkan komponen yang tidak diinginkan atau memungut

kembali gas yang berharga

Contoh : Solute gas Reagent

CO₂ larutan NaOH/KOH

CO₂ Mono Ethanol Amine (MEA)

Di Ethanol Amine (DEA)

SO₂ larutan KOH

Cl₂ H₂O

(43)

Faktor yang harus diperhatikan pada penjabaran

persamaan kecepatan reaksi antara gas-cair :

1.

Pengaruh

kecepatan

perpindahan

massa

dari

fase

gas

ke

dalam

larutan

dan

kecepatan

reaksi

kimia

antara

gas

terlarut

dengan

zat

pereaksi

yang

ada

dalam

larutan

.

2.

Daya

larut

gas

ke

dalam

larutan

.

3.

(44)

Reaktor

yang

dipakai

untuk

mereaksikan

gas

dengan

larutan

:

1.

Menara

isian

(packing)

2.

Menara

yang

diisi

dengan

bubble cup (Plate Tower)

3.

Larutan

disemprotkan

dari

atas

menara

dan

gas

dialirkan

dari

bawah

4.

Reaktor

alir

tangki

berpengaduk

yang

diberi

sekat

5.

Labu

leher

tiga

berpengaduk

, gas

digelembungkan

ke

dalam

larutan

6.

(45)

KINETIKA REAKSI GAS

–

CAIR

Reaksi antara gas dengan cairan dapat dibagi menjadi 8 kelompok dari reaksi yang sangat cepat sampai reaksi yang sangat lambat.

Jika diambil reaksi sebagai berikut :

A (g) + bB (larutan) hasil Gas A larut dalam cairan.

B tidak larut dalam phase gas.

Jadi A masuk phase cair dan reaksi hanya terjadi pada phase cair.

A. REAKSI KIMIA SANGAT CEPAT

A. REAKSI KIMIA SANGAT CEPAT

Bidang reaksi terletak di dalam lapisan cairan. Kecepatan difusi dari A dan B menentukan kecepatan reaksi.

(46)

Al Ag A A A b Al Bl A A

k

1

k

H

1

H

p

b

C

.

D

dt

dN

S

1

r

+

=

−

=

−

E

C

k

r

_A

=

_Al _Ai

−

Ai Al B Bl

C

bD

C

D

1

E

=

+

Jika tahanan lapisan gas tidak berpengaruh : k_Ag = ∞ ; p_A = p_Ai dengan

D_Bl = koefisien difusi zat B dalam phase cair

D_Al = koefisien difusi zat A dalam phase cair

p_A = tekanan parsiil A

H_A = konstanta Henry

k_Ag = koefisien transfer massa A dalam phase gas

k_Al = koefisien transfer massa A dalam phase cair

i = interface

kimia reaksi pa tan transfer mass . kec kimia reaksi dengan transfer mass . kec factor t enhancemen

(47)

B. REAKSI KIMIA SANGAT CEPAT, C

_B_B

>>

Bidang reaksi bergeser ke interface. Kecepatan reaksi keseluruhan ditentukan oleh difusi A melalui lapisan gas.

Gas A habis bereaksi di interface. Penambahan C_B tidak akan merubah kecepatan reaksi.

B Bl A

Ag

C

b

k

p

k

≤

A Ag A

A

k

p

dt

dN

S

1

r

=

−

=

(48)

C. REAKSI KIMIA CEPAT

Reaksi merupakan reaksi tingkat dua dengan persamaan

-r_A = k.C_A C_B

Reaksi terjadi secara sempurna di dalam zone reaksi. Tidak ada gas A yang berdifusi ke phase larutan.

A

Ag Al

A

p

k

1

E

k

H

1

r

+

=

(49)

D. REAKSI KIMIA CEPAT, C

_B_B

>>

Karena C_B >> maka banyaknya C_B yg bereaksi dengan A membentuk hasil relatif kecil thd C_B0 shg C_B dianggap tetap. Reaksi menjadi tingkat 1 (semu)

-r_A = k₁ C_A

Karena kec. reaksi berbanding lurus dengan C_AC_B, jika C_B makin besar, kec. reaksi juga makin besar.

A

B Al

A Ag

A

p

kC

D

H

k

1

r

+

=

(50)

E. REAKSI KIMIA SEDANG

Karena kec. reaksi kurang cepat, A yang belum bereaksi dengan B akan terus berdifusi masuk ke larutan dan bereaksi dengan B di fase cairan.

Kecepatan reaksi ditentukan oleh kecepatan perpindahan massa gas A melalui lapisan gas, melalui lapisan cair difusi masuk ke dalam larutan dan reaksi kimia.

Reaksi terjadi di lapisan cairan dan di dalam fase larutan sehingga persamaan kecepatan reaksinya kompleks sehingga tidak dibicarakan.

(51)

F. REAKSI KIMIA SEDANG, C

_B_B

>>

Karena kec. reaksi kurang cepat, A yang belum bereaksi dengan B akan terus berdifusi masuk ke larutan dan bereaksi dengan B di fase cairan.

Tapi karena C_B besar sekali, maka konsentrasi C_B dianggap tetap sehingga reaksi menjadi seperti reaksi tingkat satu.

-r_A = k₁ C_A

Reaksi terjadi di lapisan cairan dan di dalam fase larutan sehingga persamaan kecepatan reaksinya kompleks sehingga tidak dibicarakan.

(52)

G. REAKSI KIMIA LAMBAT

Karena kec. reaksi lambat maka reaksi baru terjadi di dalam fase larutan.

Kecepatan reaksi heterogen ditentukan oleh kecepatan perpindahan massa dan kecepatan reaksi kimia.

(53)

H. REAKSI KIMIA SANGAT LAMBAT

Karena reaksi kimia berlangsung sangat lambat maka kecepatan perpindahan massa gas A jauh lebih cepat dari reaksi kimia.

Komposisi A dan B seragam di dalam cairan sehingga kecepatan reaksi hanya ditentukan oleh reaksi kimia saja.

B A A

Al

kC

C

dt

dN

V

1

r

=

−

=

(54)

KINETIKA REAKSI SLURRY

Gas yang mengandung zat pereaksi A dialirkan melalui cairan B dimana terdapat suspensi katalis padat, dan zat pereaksi A harus mencapai permukaan katalisator dan bereaksi dengan B.

Mekanismenya :

1. Reaktan A harus melalui lapisan gas sampai pada interface. 2. A melalui lapisan cairan → sampai pada cairan

3. A menembus lapisan cairan sekeliling katalitis → mencapai permukaan katalis

(55)

Contoh Soal :

Kadar Asam Sulfida (H2S) sebesar 0,1% dalam carrier

gas

pada

tekanan total 20 atm akan diabsorpsi dengan

larutan

yang

mengandung 0,25 mol/liter Mono Ethanol Amin (MEA). Carilah

laju kecepatan reaksi heterogen antara H

₂

S dan MEA !

Data :

H

₂

S + RNH

₂

→

HS

-

+ RNH

3+

Reaksi ini dapat berlangsung

segera

dan tidak bolak balik.

k

_AL

= 0,030 cm

2

/det

k

_Ag

= 6 x 10-5 cm

2

/det

D

_AL

= 1,5 x 10-5 cm

2

/det

D

_BL

= 10-5 cm

2

/det