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 = ?30%

Reaksi orde nol memiliki k = 0,05 mol/(L·min) dan dimulai pada 1,5 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 30%? Cari t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 30 %
t = min
2.Kinetika reaksiSulit
1/Tln kT = 40 °Cln 0,002ln A = ?Ea​ = 70 kJ/mol

Reaksi orde satu memiliki konstanta laju 0,002 s⁻¹ pada 40 °C dan energi aktivasi 70 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponensial A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0,002 s⁻¹T = 40 °CEa = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
QX = 95%Q, k, dan X sama dengan CSTR

Sebuah reaksi orde satu fase cair harus mencapai konversi 95%. Berapa kali lebih besar CSTR dibandingkan PFR untuk laju umpan, konstanta laju, dan konversi yang sama? Cari rasionya VCSTR/VPFR.

X = 95%orde satu, k dan Q sama
VCSTR/VPFR =
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 1000 LQ = 5 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,3 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 1000 L yang diumpankan 5 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 1000 LQ = 5 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

Sebanyak 0,1 mol/L H₂ dan 0,1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 4. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,2 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,2 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 11000 kg/h · 50% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProduk20% NaOH

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 20% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 50 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F4000 kg/h · 11% 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 = 4000 kg/hxF = 11 %xP = 50 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 9 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).

Jumlah yang terkonversi

CA0·X = 1,5·0,3 = 0,45 mol/L

Waktu

t = CA0·X/k = 0,45/0,05 = 9 min

Jawaban

t = 9 min
2.Kinetika reaksi

Jawaban: A = 9,5 × 10⁸ s⁻¹

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).

Suhu mutlak

T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

Ea/(RT) = 70000/(8,314·313,1) = 26,89
A = k·e26,89 = 0,002·4,750 × 10¹¹ = 9,5 × 10⁸ s⁻¹

Jawaban

A = 9,5 × 10⁸ s⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: VCSTR/VPFR = 6,342

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) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Rasio volume

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Jawaban

VCSTR/VPFR = 6,342

Selisihnya bertambah cepat pada konversi tinggi.

4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 98,36 %

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 = 1000/5 = 200 min, kτ = 0,3·200 = 60

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 60/(1 + 60) = 98,36%

Jawaban

X = 98,36%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H2] = 0,05 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

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tarik akar kuadrat

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,1 − x = 0,05 mol/L

Jawaban

[H2] = 0,05 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl5] = 0,07639 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

0,2 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,2·x − 0,04 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,04))/2 = 0,1236 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 0,2 − 0,1236 = 0,07639 mol/L

Jawaban

[PCl5] = 0,07639 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 2000 kg/h

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

Neraca

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(50 − 20)/(20 − 5) = 2000 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 2000 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: P = 880 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 = 4000·11/50 = 880 kg/h

Jawaban

P = 880 kg/h

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