TUGAS UJIAN AKHIR
KINETIKA KINETIKA REAKTOR
Oleh :
TITA RIZKI KURNIA MIRA FITRIANA
2309030028 2309030062
PROGRAM STUDI DIII TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
KINETIKA REAKTOR
Reaktor Dalam teknik kimia, Reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutama kan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk dibandingkan masukan (input) yang besar dengan biaya yang minimum, baik itu biaya modal maupun operasi. Tentu saja faktor keselamatan pun tidak boleh dikesampingkan. Biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan baku, upah operator, dll. Perubahan energi dalam suatu reaktor kimia bisa karena adanya suatu pemanasan atau pendinginan, penambahan atau pengurangan tekanan, gaya gesekan (pengaduk dan cairan), dll.
Gambaran Umum Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi
berlangsung, baik itu reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas (contoh energi yang paling umum). Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi perubahan bahan bukan fasa misalnya dari air menjadi uap yang merupakan reaksi fisika. Ada dua jenis utama reaktor kimia: y
Reaktor tangki atau bejana
y
Reaktor pipa Kedua jenis reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun partaian/ batch.
Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg namun kadang-kadang bisa juga beroperasi secara transien. Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan (mis: setelah perbaikan atau pembelian baru) di mana komponen produk masih berubah terhadap waktu. Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun kadang-kadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi (mis: katalisator, regent, inert). Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan direaksikan akan berbeda. Ada tiga tipe pendekatan utama yang digunakan dalam pengoperasian reaktor: y
Model reaktor batch
y
Model Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) atau dikenal juga sebagai RTIK (Reaktor
Tangki Ideal Kontinu) y
Model Reaktor Alir Pipa (RAP) atau dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat)
1
KINETIKA REAKTOR
Le b h auh ag
¡
eak
¢
£
¤
dengan ka a a
¥
¦
¤
¥
¢
§
¥
¦
¤
¨
pada an m embu uhkan p end eka an ang ¥
©
¥
¥
erp ah dari k etiga m del tersebu t dika re nakan ban akn a asum si se hingga men ebabkan
¥
§
¦
tiga m del perhitungan d i atas tidak lag i aku rat. ¦
eberapa ubahan ang m em enga ruhi rancangan re ak tor:
y
Wak tu tinggal
y
Volum V)
y
T emp eratur T)
y
T ekanan
y
Konsentrasi sen awa C1 C 2 C3 ...,C n
y
Koefisien perpindahan pana s h, U), dll
)
Jenis RATB (Reaktor Alir Tangki B erpengaduk)
Bagian dalam suatu RATB. RAT
di kena l uga sebagai !
RT
"
K
#
R eak tor
Tangki deal Kontinu). "
$
i
RA T
, satu atau
lebih re aktan masuk ke dalam sua tu bejana berpenga duk dan bersamaan dengan itu sej umlah
%
ang sama
#
produk) di keluarkan dari reaktor.
&
enga duk dirancang se hingga
campuran teraduk de ngan sempu rna dan diharapkan reak si berlangsung secara optimal. Wak tu tinggal dapa t diketahu i de ngan m embagi volum reak tor dengan kecepa tan v olum etrik
cairan ang masuk reaktor. engan per hitungan kinetika reak si, konv ersi sua tu reaktor dapat %
$
diketahu i.
y
eberapa hal penting m eng ena i
Re ak tor '
RAT
:
berlang sung seca ra ajeg, sehingga jumlah
'
ang masuk setara dengan jumlah
ang ke lua r reaktor jika tidak tentu reaktor akan berku rang atau b ertambah isin a. '
2
KINETIKA REAKTOR
y
Perhitungan RATB mengasumsikan pengadukan terjadi secara sempurna sehingga semua titik dalam reaktor memiliki komposisi yang sama. Dengan asumsi ini, komposisi keluar reaktor selalu sama dengan bahan di dalam reaktor.
y
Seringkali, untuk menghemat digunakan banyak reaktor yang disusun secara seri daripada menggunakan reaktor tunggal yang besar. Sehingga reaktor yang di belakang akan memiliki komposisi produk yang lebih besar dibanding di depannya.
y
Dapat dilihat, bahwa dengan jumlah RATB kecil yang tak terbatas model perhitungan akan menyerupai perhitungan untuk RAP.
R P (Reaktor (
(
)
ir Pipa)
RAP dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat). Dalam RAP, satu atau lebih reaktan dipompa ke dalam suatu pipa. Biasanya reaksi yang menggunakan RAP adalah reaksi fasa gas. Reaksi kimia berlangsung sepanjang pipa sehingga semakin panjang pipa konversi akan semakin tinggi. Namun tidak semudah ini menaikkan konversi, dalam RAP konversi terjadi secara gradien, pada awalnya kecepatan reaksi berlangsung secara cepat namun setelah panjang pipa tertentu jumlah reaktan akan berkurang dan kecepatan reaksi berlangsung lebih lambat dan akan makin lambat seiring panjangnya pipa. Artinya, untuk mencapai konversi 100% panjang pipa yang dibutuhkan adalah tak terhingga. Beberapa hal penting mengenai RAP: y
Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran, dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial.
y
Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan, diharapkan reaksi lebih optimal dan terjadi penghematan.
y
Biasanya, RAP memiliki konversi yang lebih besar dibanding RATB dalam volum yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal yang sama RAP memberikan hasil yang lebih besar dibanding RATB.
Reaktor Semi-Batch
Reaktor jenis berlangsung secara batch dan kontinyu sec ara bersamaan.
0
ontoh
paling sederhana misalnya tangki fermentor, ragi dimasukkan sekali ke dalam tangki (secara batch) namun
0
O2 yang dihasilkannya dikeluarkan secara kontinyu.
0
ontoh lainnya adalah
klorinasi, suatu reaksi cair-gas, gas digelembungkan secara kontinyu dari dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam (batch).
3
KINETIKA REAKTOR
Aksesoris
Reaktor
Untuk
mendukung agar reaktor dapat berfungsi maksimal dan aman terkendali, maka
diperlukan sistem pengendalian proses yang menggunakan beberapa alat tambahan. Beberapa contoh dari aksesoris tersebut umumnya adalah : 1. Level
1
ontroller (LC), suatu alat yang menjaga agar volum (isi) reaktor tetap terjaga,
tidak kehabisan reaktan ataupun kelebihan yang dapat menyebabkan kenaikan tekanan. Cara kerja dari alat ini adalah dengan terus mendeteksi ketinggian permukaan bahan dalam reaktor, jika kurang dari toleransi yang diberikan (set point) maka kran keluaran (output) akan mengecil sampai ketinggian mencapai tinggi yang telah di set. Sebaliknya jika melebihi kran keluaran akan dibuka lebih lebar untuk mengurangi bahan dalam reaktor. 2. Pressure Controller (PC), Suatu alat yang bertugas untuk menjaga agar t ekanan dalam reaktor masih berada pada kisaran yang ditetapkan. Biasanya diterapkan pada reaktor yang memakai reaktan berfasa gas. Cara kerjanya mirip dengan LC yaitu dengan membuka dan menutup kran. 3. Temperature Controller (T C), suatu alat yang bertugas agar suhu di dalam reaktor masih berada dalam kisaran suhu operasinya. T C juga bekerja dengan membuka dan menutup kran, namun kran yang diintervensi adalah kran utilitas. Misalnya CSTR berpemanas, jika suhu drop maka kran koil uap panas (steam) akan diperbes ar sehingga steam yang masuk akan lebih banyak yang akhirnya suplai panas pun bertambah dan akhirnya suhu reaktor akan bertambah dan suhu reaktor pun dapat kembali ke suhu yang normal. Sebaliknya jika suhu reaktor bertambah. Reaktor Batch adalah istilah generik untuk jenis kapal banyak digunakan dalam
industri proses. Namanya adalah sesuatu dari keliru karena kapal jenis ini digunakan untuk berbagai operasi proses seperti pembubaran padatan , pencampuran produk , reaksi kimia , distilasi batch , kristalisasi , ekstraksi cair / cair dan polimerisasi . Dalam beberapa kasus, mereka tidak disebut sebagai reaktor tapi memiliki nama yang mencerminkan peran yang mereka lakukan (seperti crystallizer, atau reaktor bio ). Sebuah reaktor batch khas terdiri dari sebuah tangki dengan pengaduk dan terpisahkan pemanasan / pendinginan sistem. Kapal ini dapat bervariasi dalam ukuran dari kurang dari 1 liter untuk lebih dari 15.000 liter. Mereka biasanya dibuat dalam baja , stainless steel , kaca berlapis baja, kaca atau eksotik paduan . Cairan dan padatan biasanya diisi melalui koneksi di penutup atas reaktor.
Uap
dan gas juga keluarnya cairan melalui
koneksi di atas. Cairan ini biasanya dibuang keluar dari bagian bawah.
4
KINETIKA REAKTOR
Keuntungan dari reaktor batch berbohong dengan fleksibilitas. Sebuah kapal tunggal dapat melaksanakan urutan operasi yang berbeda tanpa perlu istirahat penahanan. Hal ini sangat berguna saat memproses, beracun atau sangat ampuhsenyawa . Agitasi
Susunan pengaduk biasa adalah pusat mount driveshaft dengan drive unit overhead. Impeller pisau dipasang pada poros. Berbagai macam desain pisau yang digunakan dan biasanya pisau menutupi sekitar dua pertiga diameter reaktor. Dimana produk kental ditangani, jangkar berbentuk dayung yang sering digunakan yang memiliki izin erat antara pisau dan dinding pembuluh. Kebanyakan reaktor batch juga menggunakan baffle . Ini adalah pisau stasioner yang putus aliran yang disebabkan oleh agitator berputar. Ini mungkin tetap ke penutup kapal atau dipasang pada bagian dalam dinding samping. Meskipun perbaikan signifikan dalam pisau pengaduk dan desain penyekat,
pencampuran dalam reaktor batch yang besar pada akhirnya dibatasi oleh jumlah energi yang dapat diterapkan. Pada kapal -kapal besar, energi pencampuran lebih dari 5 Watt per liter dapat menempatkan beban yang tidak dapat diterima pada sistem pendingin. Beban pengaduk yang tinggi juga dapat menciptakan masalah poros stabilitas. Dimana pencampuran adalah parameter kritis, reaktor batch bukanlah solusi yang ideal. Ti ngkat pencampuran yang lebih tinggi dapat dicapai dengan menggunakan sistem yang lebih kecil mengalir dengan kecepatan tinggi agitator, ultrasonik pencampuran atau mixer statis . Pemanasan dan sistem pendingin
Produk dalam reaktor batch biasanya membebaskan atau menyerap panas selama pemrosesan. Bahkan tindakan cairan disimpan pengadukan menghasilkan panas. Dalam rangka untuk terus isi reaktor pada yang diinginkan suhu , panas harus ditambahkan atau dihapus oleh jaket pendinginan atau pipa pendinginan . Pemanasan / kumparan pendingin atau jaket eksternal digunakan untuk pemanasan dan pendinginan reaktor batch. Panas fluida perpindahan melewati jaket atau kumparan untuk menambah atau menghapus panas. Dalam kimia dan farmasi industri, jaket pendinginan eksternal umumnya disukai karena mereka membuat kapal lebih mudah dibersihkan. Kinerja jaket ini dapat didefinisikan oleh 3 parameter: y
Respon waktu untuk mengubah suhu jaket
y
Keseragaman suhu jaket
y
Stabilitas suhu jaket
5
KINETIKA REAKTOR
Ha l
ini dapa t di ka takan bahwa k oefisie n per pindahan pana s juga mer upakan
param eter penting.
H a r us
diaku i bahwa bagaimanapun reaktor ba tch
jak et pendinginan eksterna l m emiliki kendala per pindahan pana s desain.
3
ulit un tuk mencapai ang le bih baik dari 100 Watt 2
perpindahan panas
ang ide al.
2
3
4
2
2
ang besar dengan
ang parah berdasarkan
liter bahkan de ngan kondisi
eba likn a, ter us menerus reak tor dapa t m emb erikan 2
kapa sitas pendi ng inan lebih dari 10.000 W
liter. Untuk p roses dengan beban panas
4
2
ang
sangat tingg i, ada solusi ang le bih ba ik daripa da reaktor ba tch . 2
uhu kontrol respon c epat dan pemanasan seragam jak et dan pendi ng inan sangat
3
penting untuk proses k ristalisasi atau operasi di mana produk atau proses sangat sensitif temperatur.
Ada
b eberapa je nis jak et pending in reak tor batch:
Jaket Eksternal Sing le
Bat c reaktor dengan jaket pendinginan eksternal tunggal 5
Desain
jak et tunggal terdiri dari jak et luar
perpindahan pana s
6
6
ang m engelilingi kapal. Fluida
ang m enga lir di sekitar jak et dan disuntikkan pada tingg i kecepatan
melalui nozel. uhu dalam jak et ang diatur untuk m eng ontrol pemanasan atau p endi nginan. 7
6
Jak et tunggal mungkin adalah desain tertua jak et pending inan eksterna l. Meskipun menjadi solusi dicoba dan diuji, m emiliki beberapa keterbatasan.
8
ada pembuluh besar,
dapa t mengambil beber apa m enit untuk m en es ua ikan suhu cairan dalam jak et pen dinginan. 6
Ha l
ini m en ebabkan k ontrol suhu lamban. 6
Distribu si
per pindahan pana s fluida juga jauh dari
ideal dan pemanasan atau pen dinginan c enderung ber variasi antara din ding samp ing dan
bawah piring. su lain 9
panas
6
6
ang perlu di pertimbangkan adalah suhu inlet fluida perpindahan
ang dapa t berosilasi dalam menanggapi ka tup kontrol suhu) selama rentang @
temperatur ang luas m en ebabkan titik panas atau di ngin pa da p oin jak et inlet. 6
6
6
KINETIKA REAKTOR
Jaket Setengah Kumparan
A
Reaktor bat c dengan setengah jaket koil
Jak et kumparan setengah dibua t oleh pengelasan pipa setengah di sekitar bag ian luar kapal untuk m embuat saluran a liran semi m elingka r. Cairan p erpindahan pana s m elewati saluran dalam a liran p lug m ode. ebuah re aktor B
ang besar dapa t m enggunakan b eberapa
C
kumparan untuk m emb erikan fluid a perpindahan pana s. eperti jak et tunggal, suhu di jak et B
diatur untuk m eng endalikan pemanasan a tau p endinginan.
Karak teristik aliran plug jak et kumparan m emungkinkan perpindahan setengah lebih cepat dari fluid a perpindahan pana s di jak et biasan a kurang dari 60 detik). D
diing inkan untuk kontrol suhu
C
C
ang baik. ni juga men ediakan distri busi E
C
Ha l
ini
ang baik ca iran
C
transfer panas ang m enghin dari ma salah p emana san a tau p endi ng inan n on seragam antara C
dinding samp ing dan bawah p iring .
B
eperti desain jak et tunggal namun cairan panas ma suk
transfer juga re ntan terhadap osilasi besar dalam m enanggapi ka tup k ontrol suhu ) suhu . D
Jaket Pendinginan Fluks Konstan
Bat ch reaktor dengan konstan (Coflux) jaket fluks
Jak et pendi ng inan fluks konstan merupakan perk embangan
F
ang relatif baru. ni G
bukan jak et tunggal tetapi memiliki ser angkaian 20 atau le bih ele men jak et kecil. Katup kontrol suhu bekerja dengan m embuka dan menutup saluran ini seperti Dengan
F
ang diperlukan.
m emva riasikan are a per pindahan pana s dengan cara ini, suhu proses dapa t diatur
tanpa m engubah suhu jak et.
Jak et fluk s konstan m emiliki suhu sanga t cepat respon kontrol biasan a ku rang dari 5 H
F
detik ) ka rena panjang pendek dari salu ran aliran dan kec epa tan tingg i dari fluida
perpindahan pana s.
I
eperti jak et koil setengah pemanasan
P
pending inan fluks adalah
seragam. Ka rena jak et bero perasi pa da suhu k onstan namun osilasi suhu masuk terlihat di
7
KINETIKA REAKTOR
jaket lainnya tidak hadir. Sebuah fitur yang tidak biasa ini jaket tipe yang panas proses dapat diukur sangat sensitif. Hal ini memungkinkan pengguna untuk memantau laju reaksi untuk mendeteksi titik akhir, mengendalikan tingkat Selain itu, mengendalikan kristalisasi dll Reaktor kimia adalah sebuah alat industri kimia , dimana terjadi reaksi bahan mentah menjadi hasil jadi yang lebih berharga. Tujuan pemi ihan reaktor ada ah : Q
Q
1. Mendapat keuntungan yang besar 2. Biaya produksi rendah 3. Modal kecil/volume reaktor minimum 4. Operasinya sederhana dan murah 5. Keselamatan kerja terjamin 6. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil -kecilnya Pemi ihan jenis reaktor dipengaruhi o eh : R
R
1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi 2. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping 3. Kapasitas produksi 4. Harga alat (reactor) dan biaya instalasinya 5. Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas Jenis-jenis reaktor A.
Berdasarkan bentuknya
1. Reaktor tangki Dikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform. Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir. 2. Reaktor pipa Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa. B. Berdasarkan prosesnya
1. Reaktor Batch
Biasanya untuk reaksi fase cair
Digunakan pada kapasitas produksi yang kecil
8
KINETIKA REAKTOR
Keu
S
t u gan eactor batch: S
T
- Lebih murah dibanding reactor alir - Lebih mudah pengoperasiannya - Lebih mudah dikontrol Kerug
U
an reactor batch:
- Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada lubang pengaduk)
- Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untuk pengisian, pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reactor, waktu reaksi) 2. Reaktor Alir (Continous Flow) Ada 2 jenis: a. RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk) Keunt ungan:
Suhu dan komposisi campuran dalam rerraktor sama
Volume
reactor besar, maka waktu tinggal juga besar, berarti zat pereaksi
lebih lama bereaksi di reactor. Kerug
V
an:
Tidak effisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang b ertekanan tinggi.
Kecepatan perpindahan panas lebih rendah dibanding RAP
Untuk
menghasilkan konversi yang sama, volume yang dibutuhkan RATB lebih
besar dari RAP. b. RAP
Dikatakan ideal jika zat pereaksi dan hasil reaksi mengalir dengan kecepatan yang sama diseluruh penampang pipa. Keunt ungan
:
Memberikan volume yang lebih kecil daripada RATB, untuk konversi yang sama Kerug
W
an:
1. Harga alat dan biaya instalasi tinggi. 2. Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.
9
KINETIKA REAKTOR
3.
Untuk
reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi ´Hot Spotµ
(bagian yang
suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor. 3. Reaktor semi batch Biasanya berbentuk tangki berpengaduk
C.
Jenis
reaktor berdasarkan keadaan operasinya
1. Reaktor isotermal. Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama. 2. Reaktor adiabatis. y
Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya.
y
Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. ( K naik dan ²rA besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek).
3. Reaktor Non-Adiabatis
D.
Reaktor Gas Cair dengan Kata is Padat X
1. Packed/Fixed bed reaktor (PBR). Terdiri dari satu pipa/lebih berisi tumpukan katalis stasioner dan dioperasikan vertikal. Biasanya dioperasikan secara adiabatis.
10
KINETIKA REAKTOR
2. Fluidized bed reaktor (FBR) y
Reaktor dimana katalisnya terangkat oleh aliran gas reaktan.
y
Operasinya: isotermal.
y
Perbedaan dengan Fixed bed: pada Fluidized bed jumlah katalis lebih sedikit dan katalis bergerak sesuai kecepatan aliran gas yang masuk serta FBR memberikan luas permukaan yang lebih besar dari PBR
E.
Fluid-fluid
reaktor
Biasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair. 1. Bubble Tank.
2. Agitate Tank
11
KINETIKA REAKTOR
3. Spray Tower
Pertimbangan dalam pemilihan fluid -fluid reaktor. 1.
Untuk
gas yang sukar larut (Kl <) sehingga transfer massa kecil maka Kl harus
diperbesar .Jenis spray tower tidak sesuai karena kg besar pada Spray Tower 2. Jika lapisan cairan yang dominan, berarti tahanan dilapisan cairan kecil maka Kl harus diperbesar » jenis spray tower tidak sesuai. 3. Jika lapisan gas yang mengendalikan (m aka Kg <) » jenis bubble tank dihindari. 4.
Untuk
gas yang mudah larut dalam air
» jenis bubble tank dihindari.
PERCOBAAN KINETIKA REAKSI Salah satu cakupan atau ruang lingkup studi kinetika reaksi adalah penentuan kecepatan reaksisecara kuantitatif ; hal ini menjadi titik berat pekerjaan seorang chem cal Y
eng neer yang harusmelakukan perancangan reaktor kimia dalam skala komersial. Y
Untuk
itulah, pecobaan atau eksperimenkinetika harus dilakukan. Beberapa pendekatan umum yang harus dilakukan dalam melakukanpercobaan kinetika reaksi adalah: 1.
Pemilihan spesies (reaktan atau produk) untuk memantau atau mengamati keberlangsunganreaksi dan/atau untuk menspesifikasi kecepatan reaksi.
12
KINETIKA REAKTOR
2.
Pemilihan jenis reaktor yang digunakan dan mode pengoperasiannya (misalnya: reaktor batch yang beroperasi pada volume tetap)
3.
Pemilihan metode untuk mengamati keberlangsungan reaksi terhadap waktu (misalnya:dengan analisis kimia)
4.
Pemilihan strategi percobaan, yakni bagaimana cara melakukan percobaan kinetika, termasukjumlah dan jenis percobaan yang diperlukan; bagaimana mengantisipasi adanya
kemungkinanreaksi-reaksi
samping;
bagaimana
kondisi
operasinya;
bagaimana menjamin supaya data-datayang dihasilkan mempunyai re rod ucibility `
yang tinggi; dsb. 5.
Pemilihan metode untuk menentukan harga-harga parameter kecepatan reaksi secarakuantitatif/numerik. Penentuan persamaan kecepatan reaksi biasanya dilakukan melalui 2 langkah
prosedur, yakni: 1. Pengaruh konsentrasi (concentration-dependence) yang dilakukan pada suhu tetap 2. Pengaruh suhu ( temperature-dependence) yang dilakukan untuk memperoleh harga konstantakecepatan reaksi (k) sebagai fungsi suhu.
Untuk
ini, percobaan dilakukan
pada berbagai variasisuhu T. Percobaan kinetika sistem batch pada umumnya dilakukan pada kondisi isotermal dan pada volumetetap(atau densitas-tetap), karena hasilnya lebih mudah diinterpretasikan. Selain itu, percobaan batchmelibatkan peralatan-peralatan yang relatif sederhana, sehingga mudah diterapkan dalam percobaans kala-kecil. Keberlangsungan reaksi pada berbagai waktu (concentration-d e end ence secara b
a
kuantitatif dapatdiamati atau dipantau melalui pengukuran -pengukuran: 1. Pengukuran konsentasi komponen i ( Ci) secara langsung; Metode Kimia y
Contohnya: titrasi asam dengan basa, titrasi basa dengan asam, presipitasi ion
dalam suatusenyawa insoluble. y
Metode kimia ini sering digunakan untuk reaksi-reaksi yang berlangsung relatif lambat.
2. Pengukuran konsentasi komponen i ( Ci) secara tidak
langsung ,
yakni melalui
pengukuran sifat-sifatlain yang bergantung kepada konsentrasi; Metode Fisika y
Pada saat reaksi kimia berlangsung, sifat -sifat fisik sistem reaksi mengalami perubahanseiring dengan perubahan komposisi kimiawi yang terjadi. Oleh karena itulah, perubahansifat-sifat fisik yang bersesuaian (secara kuantitatif) yang diukur
13
KINETIKA REAKTOR
menunjukkan (secara tidaklangsung) kecepatan reaksinya. Hubungan antara sifatsifat fisik tersebut dengan konsentrasiatau komposisi harus ditentukan melalui prosedur kalibrasi yang menghasilkan kurvakalibrasi atau kurva/grafik standar . y
Keuntungan metode fisika ini adalah pemantauan keberlangsungan reaksi dapat dilakukansecara kontinyu/terus-menerus, melalui penggunaan instrumen-instrumen yang bersesuaian,tanpa mengganggu sistem reaksi (yang disebabkan oleh kegiatan pengambilan sampel).
y
Contoh metode-metode fisika:
-
Perubahan tekanan total sistem reaksi (pada sistem reaktor batch bervolumetetap) padareaksi fase gas yang melibatkan perubahan jumlah mol gas.
-
Perubahan volume sistem reaksi (pada sistem reaktor batch bertekanantetap)
-
Perubahan sudut putaran optik zat-zat (dalam sistem reaksi yang melibatkan isomerisomeroptik aktif; misalnya reaksi inversi sukrosa). Instrumen yang digunakan adalahpolarimeter yang mengukur sudut putaran cahaya yang terpolarisasi karena melewatisistem.
-
Perubahan hantaran listrik zat-zat (dalam sistem reaksi yang melibatkan zatzat yangterionisasi; misalnya reaksi hidrolisis etil asetat). Reaksi dilakukan di dalam sebuah selhantaran.
-
Perubahan indeks bias zat-zat, yang melibatkan penggunaan refraktometer (untuksistem fase cair) atau interferometer (untuk sistem fase gas)
-
Perubahan warna atau kekeruhan atau serapan cahaya (absorbansi) zat -zat. Instrumenyang digunakan adalah spektrofotometer.
Selain besaran-besaran yang bersifat concentration-d e end ent tersebut di atas, c
beberapa besaranberikut ini perlu diukur dalam studi kinetika reaksi, yakni: 1. Suhu, T (pada umumnya T tidak hanya perlu diukur, melainkan juga perlu dikontrol ataudikendalikan, karena kecepatan reaksi rela tif sangat dipengaruhi oleh suhu), 2. Tekanan, P, 3. Besaran-besaran geometrik (seperti: panjang, L, dilatometer (untuk sistem reaktor bervolumeberubah),luas permukaan katalis, A, dan volume bejana reaksi,
V),
4. Waktu, t, dan 5. Laju alir fluida yang masuk dan keluar reaktor, Q (dalam sistem reaktor alir)
14
KINETIKA REAKTOR
P a da
sistem re aktor bat ch ber volum e-tetap a tau b erdensitas-tetap ( c onstant-volume or
constant-densit y bat ch reactor), kecepa tan reak si hom ogen k omp onen i dapa t di n atakan d
sebagai:
Untuk sistem reak si fase gas isoterma l
e
d
ang jumlah mol komp onen-komp on en a d
menga lamiperubahan), ri dapa t din atakan sebagai perubahan tekanan total sistem atau d
perubahan tekanan parsial komponen i per satuan waktu. Hubungan
antara tekanan parsial i pi) dengan te kanan total sistem
Hubungan
antara tekanan parsial i pi) dengan konsentrasi molar i Ci):
e
e
e
P
atau Pt atau ):
e
Untuk reaksi-reak si fase gas dengan perubahan jumlah m ol, ca ra sederhana un tuk men entukan kec epatan reak si adalah de ngan m eng iku ti atau mengamati per ubahan tekanan total sistem re ak si.
Tinjaulah reaksi dengan persamaan stoikiometri berikut: a Hubungan
A
+b
f
r
R
+s
g
antara tekanan parsial kompon en dengan perubahan tekanan total sistem selama
reak si berlang sung din atakan sebagai: d
15
KINETIKA REAKTOR
16
KINETIKA REAKTOR
17