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 = ?60%

Reaksi orde dua (−rA = k·CA²) dalam reaktor batch memiliki k = 0,5 L/(mol·min) dan dimulai pada 1 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 60%? Cari t.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
2.Kinetika reaksiSulit
Tk30 °C0,0260 °C?

Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,02 min⁻¹ pada 30 °C dan energi aktivasi 90 kJ/mol. Cari konstanta laju k2 pada 60 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 60 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
Q = 100 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 50 L, k = 0,25 min⁻¹

Reaksi orde satu fase cair A → B (k = 0,25 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 50 L. Umpan masuk dengan laju 100 L/menit dengan CA0 = 2,5 mol/L. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konsentrasi keluaran CA.

V = 50 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L
CA = mol/L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 1000 LQ = 40 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,2 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 1000 L yang diumpankan 40 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 1000 LQ = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

Sebanyak 0,2 mol/L H₂ dan 0,2 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 16. Tentukan konsentrasi saat setimbang [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,02 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 1 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 11000 kg/h · 15% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 40% garamProduk30% garam

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 30% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 15 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F1900 kg/h · 17% garamProduk P35% garamUap W (air murni)W = ? kg/h

Evaporator memekatkan larutan garam dengan menguapkan air murni. Cari air yang diuapkan W dalam kg/h.

F = 1900 kg/hxF = 17 %xP = 35 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 3 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Konsentrasi di akhir

CA = 1·(1 − 0,6) = 0,4 mol/L

Hukum orde dua terintegrasi

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2,5 − 1)/0,5 = 3 min

Jawaban

t = 3 min
2.Kinetika reaksi

Jawaban: k2 = 0,4983 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 = 303,1 K, T2 = 333,1 K

Rasio Arrhenius

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/333,1 − 1/303,1) = 3,216
k2 = 0,02·e3,216 = 0,4983 min⁻¹

Jawaban

k2 = 0,4983 min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: CA = 2,206 mol/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 = V/Q = 50/100 = 0,5 min

Konsentrasi keluaran

CA = 2,5·e−0,25·0,5 = 2,206 mol/L

Jawaban

CA = 2,206 mol/L

Konversi: X = 11,75%.

4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 83,33 %

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 = 1000/40 = 25 min, kτ = 0,2·25 = 5

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 5/(1 + 5) = 83,33%

Jawaban

X = 83,33%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 0,2667 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/(0,2 − x)²

Tarik akar kuadrat

4 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·4/(2 + 4) = 0,1333 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 0,2667 mol/L

Jawaban

[HI] = 0,2667 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl2] = 0,1318 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

0,02 = x²/(1 − x) → x² + 0,02·x − 0,02 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,02))/2 = 0,1318 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,1318 mol/L

Jawaban

[Cl2] = 0,1318 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1500 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) = 1000·(15 − 30)/(30 − 40) = 1500 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1500 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: W = 977,1 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 = 1900·17/35 = 922,9 kg/h

Neraca total

W = F − P = 1900 − 922,9 = 977,1 kg/h

Jawaban

W = 977,1 kg/h

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