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 = ?99%

Reaksi orde satu dalam reaktor batch memiliki k = 0,05 min⁻¹. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 99%? Cari t.

k = 0,05 min⁻¹X = 99 %
t = min
2.Kinetika reaksiSulit
Tk35 °C0,0550 °C?

Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,05 min⁻¹ pada 35 °C dan energi aktivasi 90 kJ/mol. Cari konstanta laju k2 pada 50 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 50 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
QX = 90%Q, k, dan X sama dengan CSTR

Sebuah reaksi orde satu fase cair harus mencapai konversi 90%. Berapa kali lebih besar CSTR dibandingkan PFR untuk laju umpan, konstanta laju, dan konversi yang sama? Cari rasionya VCSTR/VPFR.

X = 90%orde satu, k dan Q sama
VCSTR/VPFR =
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 800 LQ = 25 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,08 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 800 L yang diumpankan 25 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 800 LQ = 25 L/mink = 0,08 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 = 64. Tentukan konsentrasi saat setimbang [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,04 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,8 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 1750 kg/h · 30% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 20% garamProduk25% garam

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

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F900 kg/h · 18% NaOHProduk PP = ? · 30%Uap W (air murni)0% NaOH

Evaporator memekatkan larutan NaOH dengan menguapkan air murni. Cari laju alir produk P dalam kg/h.

F = 900 kg/hxF = 18 %xP = 30 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 92,1 min

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).

Konversi dan konsentrasi

C/C0 = 1 − X = 0,01

Selesaikan untuk waktu

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,05 = 92,1 min

Jawaban

t = 92,1 min
2.Kinetika reaksi

Jawaban: k2 = 0,2554 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 = 323,1 K

Rasio Arrhenius

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/323,1 − 1/308,1) = 1,631
k2 = 0,05·e1,631 = 0,2554 min⁻¹

Jawaban

k2 = 0,2554 min⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: VCSTR/VPFR = 3,909

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) = 0,9/0,1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2,303

Rasio volume

VCSTR/VPFR = 9/2,303 = 3,909

Jawaban

VCSTR/VPFR = 3,909

Selisihnya bertambah cepat pada konversi tinggi.

4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 71,91 %

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 = 800/25 = 32 min, kτ = 0,08·32 = 2,56

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 2,56/(1 + 2,56) = 71,91%

Jawaban

X = 71,91%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 1,28 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

64 = (2x)²/(0,8 − x)²

Tarik akar kuadrat

8 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·8/(2 + 8) = 0,64 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 1,28 mol/L

Jawaban

[HI] = 1,28 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl2] = 0,16 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

0,04 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,16 mol/L

Jawaban

[Cl2] = 0,16 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 750 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) = 750·(30 − 25)/(25 − 20) = 750 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 750 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: P = 540 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 = 900·18/30 = 540 kg/h

Jawaban

P = 540 kg/h

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