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)
Teknik Reaksi Kimia: paket kilat
Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.
1Rumus dan metode
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
- Tulis Kc sebagai produk per pereaksi, masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya.
- Susun tabel ICE: Initial (awal), Change (perubahan, dalam kelipatan x kali koefisien), Equilibrium (kesetimbangan).
- Masukkan pernyataan kesetimbangan ke dalam Kc dan selesaikan untuk x.
- 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
Reaksi dengan hukum laju −rA = k·CA² memiliki k = 1 L/(mol·min) dan dimulai pada 2 mol/L. Cari konsentrasi CA setelah 15 min.
k = 1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
2.Kinetika reaksiSulit
Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,005 min⁻¹ pada 40 °C dan energi aktivasi 60 kJ/mol. Cari konstanta laju k2 pada 60 °C.
k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 60 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
Sebuah reaksi orde satu fase cair harus mencapai konversi 50%. Berapa kali lebih besar CSTR dibandingkan PFR untuk laju umpan, konstanta laju, dan konversi yang sama? Cari rasionya VCSTR/VPFR.
X = 50%orde satu, k dan Q sama
VCSTR/VPFR =
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,25 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 400 L yang diumpankan 80 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.
V = 400 LQ = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
Sebanyak 1 mol/L H₂ dan 1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 16. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,1 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,25 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl2].
[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
7.Neraca massaSedang
Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 20% garam? Cari ṁ2.
ṁ1 = 250 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
Evaporator memekatkan larutan NaOH dengan menguapkan air murni. Cari laju alir produk P dalam kg/h.
F = 4800 kg/hxF = 14 %xP = 50 %
P = kg/h
3Larutan
1.Kinetika reaksi
Jawaban: CA = 0,06452 mol/L
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).
Hukum orde dua terintegrasi
1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 1·15 = 15,5 L/mol
CA = 1/15,5 = 0,06452 mol/L
Jawaban
CA = 0,06452 mol/L
2.Kinetika reaksi
Jawaban: k2 = 0,01994 min⁻¹
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).
Suhu mutlak
T1 = 313,1 K, T2 = 333,1 K
Rasio Arrhenius
ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/333,1 − 1/313,1) = 1,383
k2 = 0,005·e1,383 = 0,01994 min⁻¹
Jawaban
k2 = 0,01994 min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)
Jawaban: VCSTR/VPFR = 1,443
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.
k·τ untuk setiap reaktor
CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,5/0,5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0,6931
Rasio volume
VCSTR/VPFR = 1/0,6931 = 1,443
Jawaban
VCSTR/VPFR = 1,443
Selisihnya bertambah cepat pada konversi tinggi.
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)
Jawaban: X = 55,56 %
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 = 400/80 = 5 min, kτ = 0,25·5 = 1,25
Konversi
X = kτ/(1 + kτ) = 1,25/(1 + 1,25) = 55,56%
Jawaban
X = 55,56%
5.Kesetimbangan kimia
Jawaban: [H2] = 0,3333 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
16 = (2x)²/(1 − x)²
Tarik akar kuadrat
4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L
Konsentrasi saat setimbang
[H₂] = 1 − x = 0,3333 mol/L
Jawaban
[H2] = 0,3333 mol/L
6.Kesetimbangan kimia
Jawaban: [Cl2] = 0,1158 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/(0,25 − x) → x² + 0,1·x − 0,025 = 0
Selesaikan persamaan kuadrat
x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,025))/2 = 0,1158 mol/L
Konsentrasi saat setimbang
[Cl₂] = x = 0,1158 mol/L
Jawaban
[Cl2] = 0,1158 mol/L
7.Neraca massa
Jawaban: ṁ2 = 83,33 kg/h
Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.
Neraca
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
garam: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Selesaikan untuk ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(15 − 20)/(20 − 35) = 83,33 kg/h
Jawaban
ṁ2 = 83,33 kg/h
8.Neraca massa
Jawaban: P = 1344 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 = 4800·14/50 = 1344 kg/h
Jawaban
P = 1344 kg/h
ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering