Teknik Reaksi Kimia: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Kinetika reaksi

Orde satu
ln(CA/CA0) = −kt
Waktu paruh (orde satu)
t½ = ln 2/k
Orde dua
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dua suhu
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Waktu ruang
τ = V/Q
CSTR, orde satu
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, orde satu
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Konversi dari volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR identik yang disusun seri
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Kesetimbangan kimia

Tetapan kesetimbangan
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabel ICE
Awal, Perubahan (×koefisien), Kesetimbangan
Persamaan kuadrat
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metode

  1. Tulis Kc sebagai produk per pereaksi, masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya.
  2. Susun tabel ICE: Initial (awal), Change (perubahan, dalam kelipatan x kali koefisien), Equilibrium (kesetimbangan).
  3. Masukkan pernyataan kesetimbangan ke dalam Kc dan selesaikan untuk x.
  4. Periksa apakah x cukup kecil untuk pendekatan; jika tidak, selesaikan persamaan kuadratnya.

Neraca massa

Keadaan tunak
masuk = keluar
Neraca total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Neraca komponen
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporator
F·xF = P·xP, W = F − P

2Soal latihan

1.Kinetika reaksiSedang
t (min)X (%)t = ?99%

Reaksi orde satu dalam reaktor batch memiliki k = 0,2 min⁻¹. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 99%? Cari t.

k = 0,2 min⁻¹X = 99 %
t = min
2.Kinetika reaksiSulit
t (min)X (%)60 minX = ?

Reaksi orde satu memiliki k = 0,002 min⁻¹ pada 20 °C dan energi aktivasi 90 kJ/mol. Reaktor batch kini dijalankan pada 30 °C selama 60 min. Cari konversi X yang dicapai.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 90 kJ/molT2 = 30 °Ct = 60 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
Q = 40 L/minX = 85%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,1 min⁻¹ dilakukan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang diumpankan 40 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 85%.

Q = 40 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 85%
V = L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 250 LQ = 40 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,08 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 250 L yang diumpankan 40 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 250 LQ = 40 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

Sebanyak 0,25 mol/L H₂ dan 0,25 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 49. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,1 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,5 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 1750 kg/h · 45% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 10% gulaProduk25% gula

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 25% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F1200 kg/h · 5% garamProduk PP = ? · 50%Uap W (air murni)0% garam

Evaporator memekatkan larutan garam dengan menguapkan air murni. Cari laju alir produk P dalam kg/h.

F = 1200 kg/hxF = 5 %xP = 50 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 23,03 min

Laju reaksi: untuk reaksi orde satu −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e−kt dan waktu paruh ln 2/k tidak bergantung pada konsentrasi. Untuk reaksi orde dua 1/C = 1/C₀ + kt. Konstanta laju naik terhadap suhu menurut Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Konversi dan konsentrasi

C/C0 = 1 − X = 0,01

Selesaikan untuk waktu

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,2 = 23,03 min

Jawaban

t = 23,03 min
2.Kinetika reaksi

Jawaban: X = 33,35 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Konstanta laju pada suhu baru

T1 = 293,1 K, T2 = 303,1 K
k2 = 0,002·e−(90000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1) = 0,006762 min⁻¹

Konversi

X = 1 − e−0,006762·60 = 1 − 0,6665 = 33,35 %

Jawaban

X = 33,35 %
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 758,8 L

Reaktor ideal, reaksi orde satu (−rA = k·CA) pada keadaan tunak, dengan waktu ruang τ = V/Q. CSTR tercampur sempurna, sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan CA = CA0/(1 + k·τ). Pada PFR setiap irisan fluida bereaksi seperti reaktor batch kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan CA = CA0·e−k·τ. Untuk konversi yang sama, CSTR selalu memerlukan volume lebih besar daripada PFR.

Waktu ruang

τ = ln(1/(1 − 0,85))/0,1 = 1,897/0,1 = 18,97 min

Volume

V = Q·τ = 40·18,97 = 758,8 L

Jawaban

V = 758,8 L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 33,33 %

Reaktor ideal, reaksi orde satu (−rA = k·CA) pada keadaan tunak, dengan waktu ruang τ = V/Q. CSTR tercampur sempurna, sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan CA = CA0/(1 + k·τ). Pada PFR setiap irisan fluida bereaksi seperti reaktor batch kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan CA = CA0·e−k·τ. Untuk konversi yang sama, CSTR selalu memerlukan volume lebih besar daripada PFR.

Waktu ruang

τ = V/Q = 250/40 = 6,25 min, kτ = 0,08·6,25 = 0,5

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 0,5/(1 + 0,5) = 33,33%

Jawaban

X = 33,33%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H2] = 0,05556 mol/L

Kesetimbangan kimia: untuk aA + bB ⇌ cC + dD, tetapan kesetimbangannya adalah Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), menggunakan konsentrasi pada saat setimbang. Tabel ICE (Awal, Perubahan, Kesetimbangan) menghubungkan jumlah awal dengan jumlah saat setimbang melalui satu variabel x, yang dikalikan dengan koefisiennya.

Rumus kesetimbangan

49 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tarik akar kuadrat

7 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7/(2 + 7) = 0,1944 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,25 − x = 0,05556 mol/L

Jawaban

[H2] = 0,05556 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl5] = 0,3209 mol/L

Kesetimbangan kimia: untuk aA + bB ⇌ cC + dD, tetapan kesetimbangannya adalah Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), menggunakan konsentrasi pada saat setimbang. Tabel ICE (Awal, Perubahan, Kesetimbangan) menghubungkan jumlah awal dengan jumlah saat setimbang melalui satu variabel x, yang dikalikan dengan koefisiennya.

Rumus kesetimbangan

0,1 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 0,5 − 0,1791 = 0,3209 mol/L

Jawaban

[PCl5] = 0,3209 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1000 kg/h

Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.

Neraca

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
gula: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 750·(45 − 25)/(25 − 10) = 1000 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1000 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: P = 120 kg/h

Komponen pengikat: komponen yang lewat tanpa berubah di satu aliran saja (di sini zat terlarut) menghubungkan laju alir secara langsung. Lalu neraca total memberi sisanya.

Neraca zat terlarut

F·xF = P·xP → P = 1200·5/50 = 120 kg/h

Jawaban

P = 120 kg/h

ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering