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 = 0,8 L/(mol·min) dan dimulai pada 1 mol/L. Cari konsentrasi CA setelah 10 min.
k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
2.Kinetika reaksiSulit
Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,02 min⁻¹ pada 35 °C dan energi aktivasi 60 kJ/mol. Cari konstanta laju k2 pada 55 °C.
k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 55 °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 A → B dengan k = 0,4 min⁻¹ dilakukan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang diumpankan 50 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 85%.
Q = 50 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 85%
V = L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,05 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 100 L yang diumpankan 5 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.
V = 100 LQ = 5 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
Sebanyak 0,5 mol/L H₂ dan 0,5 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 4. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,5 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,1 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl2].
[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
7.Neraca massaSedang
Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 25% NaOH? Cari ṁ2.
ṁ1 = 550 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
Evaporator memekatkan larutan NaOH dengan menguapkan air murni. Cari air yang diuapkan W dalam kg/h.
F = 3200 kg/hxF = 20 %xP = 30 %
W = kg/h
3Larutan
1.Kinetika reaksi
Jawaban: CA = 0,1111 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 = 1 + 0,8·10 = 9 L/mol
CA = 1/9 = 0,1111 mol/L
Jawaban
CA = 0,1111 mol/L
2.Kinetika reaksi
Jawaban: k2 = 0,08335 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 = 308,1 K, T2 = 328,1 K
Rasio Arrhenius
ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/328,1 − 1/308,1) = 1,427
k2 = 0,02·e1,427 = 0,08335 min⁻¹
Jawaban
k2 = 0,08335 min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)
Jawaban: V = 237,1 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))/0,4 = 1,897/0,4 = 4,743 min
Volume
V = Q·τ = 50·4,743 = 237,1 L
Jawaban
V = 237,1 L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)
Jawaban: X = 63,21 %
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 = 100/5 = 20 min, kτ = 0,05·20 = 1
Konversi
X = 1 − e−kτ = 1 − e−1 = 63,21%
Jawaban
X = 63,21%
5.Kesetimbangan kimia
Jawaban: [H2] = 0,25 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/(0,5 − x)²
Tarik akar kuadrat
2 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·2/(2 + 2) = 0,25 mol/L
Konsentrasi saat setimbang
[H₂] = 0,5 − x = 0,25 mol/L
Jawaban
[H2] = 0,25 mol/L
6.Kesetimbangan kimia
Jawaban: [Cl2] = 0,08541 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
0,5 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,5·x − 0,05 = 0
Selesaikan persamaan kuadrat
x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,05))/2 = 0,08541 mol/L
Konsentrasi saat setimbang
[Cl₂] = x = 0,08541 mol/L
Jawaban
[Cl2] = 0,08541 mol/L
7.Neraca massa
Jawaban: ṁ2 = 330 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) = 550·(10 − 25)/(25 − 50) = 330 kg/h
Jawaban
ṁ2 = 330 kg/h
8.Neraca massa
Jawaban: W = 1067 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 = 3200·20/30 = 2133 kg/h
Neraca total
W = F − P = 3200 − 2133 = 1067 kg/h
Jawaban
W = 1067 kg/h
ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering