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 = ?90%

Reaksi orde nol memiliki k = 0,05 mol/(L·min) dan dimulai pada 0,5 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 90%? Cari t.

k = 0,05 mol/(L·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 90 %
t = min
2.Kinetika reaksiSulit
Tk40 °C0,00580 °C?

Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,005 min⁻¹ pada 40 °C dan energi aktivasi 90 kJ/mol. Cari konstanta laju k2 pada 80 °C.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 80 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
Q = 80 L/minX = 90%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 80 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 90%.

Q = 80 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 90%
V = L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 250 LV = 250 LQ = 50 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,05 min⁻¹) berlangsung dalam dua CSTR identik yang disusun seri, masing-masing 250 L. Laju umpan 50 L/menit, densitasnya konstan, dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi keseluruhan X dalam persen.

V = 250 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

Sebanyak 0,8 mol/L H₂ dan 0,8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 16. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,08 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,5 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 1900 kg/h · 20% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 50% gulaProduk25% gula

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

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 20 %x2 = 50 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F1300 kg/h · 6% NaOHProduk P50% NaOHUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 1300 kg/hxF = 6 %xP = 50 %
W = 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 = 0,5·0,9 = 0,45 mol/L

Waktu

t = CA0·X/k = 0,45/0,05 = 9 min

Jawaban

t = 9 min
2.Kinetika reaksi

Jawaban: k2 = 0,2509 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 = 353,1 K

Rasio Arrhenius

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/353,1 − 1/313,1) = 3,915
k2 = 0,005·e3,915 = 0,2509 min⁻¹

Jawaban

k2 = 0,2509 min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 1842 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 − 0,9))/0,1 = 2,303/0,1 = 23,03 min

Volume

V = Q·τ = 80·23,03 = 1842 L

Jawaban

V = 1842 L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 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 = 250/50 = 5 min, kτ = 0,05·5 = 0,25

Konversi

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,25) = 0,8
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,64
X = 1 − 0,64 = 36%

Jawaban

X = 36%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H2] = 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/(0,8 − x)²

Tarik akar kuadrat

4 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·4/(2 + 4) = 0,5333 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,8 − x = 0,2667 mol/L

Jawaban

[H2] = 0,2667 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl2] = 0,164 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

0,08 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,04 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,04))/2 = 0,164 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,164 mol/L

Jawaban

[Cl2] = 0,164 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 180 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) = 900·(20 − 25)/(25 − 50) = 180 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 180 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: W = 1144 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 = 1300·6/50 = 156 kg/h

Neraca total

W = F − P = 1300 − 156 = 1144 kg/h

Jawaban

W = 1144 kg/h

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