REAKSI HETEROGEN GAS/CAIR CAIR NON KATALITIS

Teknik Reaksi Kimia

REAKSI HETEROGEN GAS/CAIR – CAIR

NON KATALITIS

1

REAKSI HETEROGEN NON KATALITIS

Reaksi heterogen dipengaruhi oleh variabel-variabel yang kecepatan reaksi dan variabel-variabel yang menentukan perpindahan massa, yaitu :

1. Luas permukaan bidang persentuhan a.Menghaluskan zat padat

b.Menyemprotkan zat cair melalui nozzle c.Mendispersikan zat cair

2. Kecepatan difusi zat alir ke dan melalui lapisan batas yang dipengaruhi oleh :

a.Tekanan gas

b.Kecepatan relatif dari kedua fase c.Suhu campuran

d.Sifat-sifat fisis dari zat pereaksi dan bentuk tempatnya 3. Kecepatan difusi dari zat hasil menjauhi daerah reaksi

Hanya penting untuk reaksi bolak-balik

MACAM-MACAM REAKSI HETEROGEN 1. Gas – padat

a. Pembakaran arang batu

b. Pembuatan H

₂

dari uap air dan besi

c. Pembuatan SO

₂

dengan pembakaran pirit 2. Cair – padat

a. Ion exchange b. Hidrasi CaO

c. Pembuatan H

₃

PO

₄

dari batu phosphat dan H

₂

SO

₄

3. Gas – cair

a. Penyerapan CO

₂

dengan MEA (Mono Etilen Amin) b. Penyerapan NO

₂

dalam air (pembuatan HNO

₃

) c. Hidrogenasi minyak

3

MACAM-MACAM REAKSI HETEROGEN 4. Cair – cair

a. Pembuatan NaOH

b. Pembuatan sabun dengan reaksi antara lemak dan larutan NaOH

c. Nitrasi zat organik dengan asam nitrat 5. Padat – padat

a. Pembuatan semen

b. Pembuatan CaC

₂

dari CaO dan C

c. Pembuatan soda abu dengan proses Leblanc

Kecepatan perpindahan massa :

Kecepatan reaksi kimia :

PERSAMAAN KECEPATAN REAKSI UNTUK REAKSI HETEROGEN

Persamaan kecepatan untuk reaksi heterogen diperhitungkan dari kecepatan perpindahan massa dan kecepatan reaksi kimia. Jika r₁, r₂, … , r_nadalah kecepatan perubahan masing-masing proses, maka jika perubahan terjadi secara paralel

r

_overall

= ∑ ^r

i i=1

Jika perubahan terjadi secara berurutan, maka pada keadaan steady state

r_overall= r₁= r₂=...= r_n

Qperpindahan = 1 d NS dt^A

Q_reaksi= r_A^" = 1 d NS dt^A

5

REAKSI HETEROGEN GAS – CAIR

Reaksi heterogen gas-cair dilakukan dengan tujuan :

1. Untuk memperoleh hasil akhir yang bernilai lebih tinggi Contoh : - CO₂ + NaOH

- SO₃ + H₂O

- gas CO₂ + lar. amonia - oksidasi aldehid - chlorisasi benzene - absorbsi NO₂dalam air - absorbsi SO₃dalam H₂SO₄

Na₂CO₃ + H₂O H₂SO₄

am. karbonat asam H.C. lain HNO₃ oleum

7

2. Memisahkan komponen yang tidak diinginkan atau memungut kembali gas yang berharga

Contoh : Solute gas CO₂

CO₂

SO₂ Cl₂ H₂S

Reagent

larutan NaOH/KOH

MonoEthanol Amine (MEA) Di Ethanol Amine (DEA) larutan KOH

H₂O

Ethanol Amine 7

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. Reaktor yang dipakai.

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. Scrubber

9

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, C_B<<

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

Gas A habis bereaksi di dalam bidang reaksi.

A

H

_A

k

_{A g}

k

_Al

b H

_A

S dt 1 + 1

D

_Bl

. C

_b

+ p

^A

= D

^{A l}

= − 1 d N

^A

− r

− r_A = k_{A l}C_{A i}E

Jika tahanan lapisan gas tidak berpengaruh : k_{A g}= ∞ pa =pa1; 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_{A g}= koefisien transfer massa A dalam phase gas k_Al = koefisien transfer massa A dalam phase cair i = interface

i = interface

E = enhancement factor =kec. mass transfer dengan reaksi kimia kec. mass transfer tan pa reaksi kimia

E = 1 + D_୆୪ C_୆ b D_୅୪ C_୅୧

11

B. REAKSI KIMIA SANGAT CEPAT, C_B>>

reaksi bergeser ke Bidang

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

Gas A habis bereaksi di interface.

Penambahan CB tidak akan merubah kecepatan reaksi.

B A g A

k p ≤kb_Bl

C _{A A g A}

S dt = k p

= − 1 d N

^A

− r

C. REAKSI KIMIA CEPAT, CB <<

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

A

p

k

_{A g}

k

_{A l}

E

1 H

_A

+ 1

− r =

13

D. REAKSI KIMIA CEPAT, C_B>>

Karena C_B> > maka banyaknya C_B y g 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

A

1 p

1 + H

_A

k

_{A g}

D

_{A l}

kC

_B

− r =

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.

Kecepatan reaksi dipengaruhi oleh luas bidang batas antara lapisan gas dan cairan dan juga oleh volume gas fase larutan.

15

F. REAKSI KIMIA SEDANG, C_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.

Kecepatan reaksi dipengaruhi oleh luas bidang batas antara lapisan gas dan cairan dan juga oleh volume gas fase larutan.

G. REAKSI KIMIA LAMBAT

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

Kecepatan ditentukan

reaksi oleh

heterogen kecepatan perpindahan massa dan kecepatan reaksi kimia.

Jadi luas permukaan bidang batas dan volume larutan

dalam menentukan

berperan kecepatan reaksi heterogen

pA

k C_B k_{A g}a_i k_{A l}a_i

1

1 + H^A + H^A

− 1 dN_A = V_l dt pA

k C_B k_{A g} k_Al

S dt

1

1 + H^A + H^Aa_i

− 1 d N_A =

Vl volume cairan a =i S = int erfacial surface

17

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.

A B

Al = − 1 d NV dt^A = k C C

− r

Review of the Role of the Hatta Number, M

H

19

1. If MH > 2, reaction occurs in the film and we have Cases A, B, C, D.

2. If 0.02 < MH < 2, we then have the intermediate Cases E, F, G.

3. If MH < 0.02, we have the infinitely slow reaction of Case H.

Example 23-1

FINDING THE RATE OF A G/L REACTION

Air with gaseous A bubbles through a tank containing aqueous B.

Reaction occurs as follows:

For this system

For a point in the absorber-reactor where P_A= 5 X 10³Pa and C_B= 100 mol/m³

(a) locate the resistance to reaction (what % is in the gas film, in the liquid film, in the main body of liquid)

(b) locate the reaction zone

(c) determine the behavior in the liquid film (whether pseudo first-

21

Since no analysis is available for other than second-order reactions, let us replace our third-order reaction with a second order approximation. Thus,

Since (Ei)firstgue>ss 5 MH, then for any other smaller guess for pAi we will still have E, > 5 M,.

Figure 23.4 The enhancement factor for fluid-fluid reactions as a function of MH

23

Thus,

(a) 2/3 of the resistance is in the gas film, 1/3 is in the liquid film ← (b) the reaction zone is in the liquid film ←

(c) reaction proceeds by a pseudo first-order reaction of A, at the interface ←

(d) the rate Is െ࢘_࡭^ᇱᇱᇱᇱ= 33 mol/ hr . m³←

Teknik Reaksi Kimia

KINETIKA REAKSI GAS-PADAT

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

4 . A bereaksi dengan cairan B pada permukaan katalis

25

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 H₂S dan M E A !

Data : H₂S + RNH₂ → HS^- + RNH₃+

Reaksi ini dapat berlangsungsegera dan tidak bolak balik.

k_AL kA g

DAL

DBL

HA

= 0,030 cm²/det

= 6 x 10-5 cm²/det

= 1,5 x 10-5 cm²/det

= 10-5 cm²/det

= 24,1 atm. liter/mol R = 0,08206 liter.atm/mol.^oK

MATERI

• Regime kinetika untuk pengendali transfer massa dan pengendali reaksi kimia

• Penurunan persamaan kinetika untuk tiap- tiap pengendali kecepatan

• Kelarutan dan parameter konversi lapisan

• Penentuan regime kinetika dari data kinetika atau eksperimen

27

SHRINKING-CORE MODELFOR SPHERICAL PARTICLES OF

UNCHANGINGSIZE

SHRINKING-CORE MODEL FOR SPHERICAL PARTICLES OF UNCHANGING SIZE

First developed by Yagi and Kunii

• Step 1. Diffusion of gaseous reactant A through the film surrounding the particle to the surface of the solid.

• Step 2. Penetration and diffusion of A through the blanket of ash to the surface of the unreacted core.

• Step 3. Reaction of gaseous A with solid at this reaction surface.

• Step 4. Diffusion of gaseous products through the ash back to the exterior surface of the solid.

• Step 5. Diffusion of gaseous products through the gas film back into the main body of fluid.

29

A(g) + bB(s) solid product

particle of unchanging size.

Diffusion Through Gas Film Controls

31

ρ_B= molar density of B in the solid , V = volume of a particle

τ = time for complete conversion of a particle

Diffusion through Ash Layer Controls

33

Chemical Reaction Controls

35

RATE OF REACTION FOR SHRINKING SPHERICAL

PARTICLES

37

Mekanisme

• Step 1. Diffusion of reactant A from the main body of gas through the gas film to the surface of the solid.

• Step 2. Reaction on the surface between reactant A and solid.

• Step 3. Diffusion of reaction products from the

surface of the solid through the gas film back into

the main body of gas. Note that the ash layer is

absent and does not contribute any resistance.

Chemical Reaction Controls

Behavior, figure, equation is identical to that of particles of unchanging size

39

Gas Film Diffusion Controls

41

Stokes Regime (Small Particles).

43