Kuliah Azas Teknik Kimia I

Bagian 2

Materi Perkuliahan

• Fundamental Peneracaan Massa yang Melibatkan Reaksi Kimia– Persamaan Kimia dan Biokimia– Hubungan stoikiometri– Reaktan berlebih, reaktan pembatas– Konversi reaksi, yield dan selektivitas

• Aliran Proses– Aliran recycle– Aliran purge– Aliran by pass

Materi Perkuliahan• Klasifikasi Proses dan Peneracaan Massanya– Proses batch– Proses kontinu– Proses semibatch

• Analisis Derajat Kebebasan– Sistem tanpa reaksi kimia– Sistem dengan reaksi kimia

• Pengantar Neraca Energi– Persamaan konservasi energi– Perhitungan entalpi– Estimasi panas laten– Perhitungan panas reaksi

Persamaan Kimia dan Biokimia

• Apa yang dapat dipelajari dari persamaan ini? 2C3H6 + 9 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

• Koefisien stoikiometri : bilangan-bilangan yang berada di depan senyawa-senyawa dalam persamaan kimia.

• Rasio stoikiometri : rasio yang diperoleh dari dari koefisien numerik dalam persamaan kimia.

Contoh 1. Penggunaan Persamaan Kimia

Akrilonitril diproduksi dengan mereaksikan propilen, ammonia dan oksigen dengan reaksi sebagai berikut:C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O

Umpan terdiri dari 10 mol propilen, 10 mol ammonia dan 78 mol udara. Jika reaksi berlangsung sempurna, hitunglah jumlah mol akrilonitril yang dihasilkan.

Reaktan Pembatas (limiting) dan Reaktan Berlebih

• Reaktan pembatas (limiting) adalah reaktan yang terdapat dalam jumlah stoikiometrik terkecil.

• Untuk menentukan reaktan pembatas, harus dihitung rasio mol dari reaktan-reaktan dan membandingkan setiap rasio dengan rasio yang sesuai dari koefisien reaktan dalam persamaan kimia.

• Reaktan berlebih adalah reaktan yang terdapat lebih daripada reaktan pembatas.

• Persen kelebihan dari sebuah reaktan didasarkan pada jumlah kelebihan reaktan di atas yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan reaktan pembatas sesuai dengan persamaan kimia.

% kelebihan = kelebihan mol / mol yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan reaktan pembatas x 100

Kelebihan mol = total mol reaktan yang tersedia – mol yang diperlukan untuk bereaksi dengan reaktan pembatas

Contoh 2. Reaktan pembatas dan reaktan berlebih

Dari reaksi di bawah ini: 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O ke dalam reaktor diumpan 40 mol/jam NH3

dan 60 mol/jam O2.

a. Tentukanlah reaktan pembatas dan reaktan berlebihb. Hitung % kelebihan reaktan berlebih

Konversi Reaksi Menurut penggunaannya, konversi reaksi terbagi

menjadi 2, yaitu:• Konversi Jalan Tunggal atau “sekali-lewat” (Single-pass

or “once-through” conversion), yaitu: massa (mol) reaktan (limiting) yang bereaksi di dalam reaktor (masukan proses) / massa (mol) reaktan (limiting) yang diasupkan ke dalam reaktor. Konversi ini juga disebut sebagai fractional conversion.

• Konversi fraksi keseluruhan (Overall fraction conversion)

Yaitu: (massa (mol) dalam asupan segar – massa (mol) reaktan (limiting) dalam keluaran dari proses keseluruhan (produk bersih)) / massa (mol) reaktan yang diasupkan ke dalam reaktor.

Contoh 3. Konversi reaksi

Asam nitrat diproduksi dengan reaksi oksidasi amonia. Tahap pertama reaksinya sbb:

4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O Konversi reaksi di reaktor 90% terhadap NH3

dengan umpan 40 mol/jam NH3 dan 60 mol/jam O2.

Hitunglah rate (mol/jam) semua komponen keluar reaktor

Yield• Untuk reaktan tunggal dan produk, adalah massa atau

mol produk akhir dibagi dengan massa atau mol reaktan awal yang dimasukkan.

• Jika terdapat lebih dari satu produk dan lebih dari satu reaktan yang terlibat, reaktan yang menjadi dasar yield harus dinyatakan dengan jelas. Andaikan ada rantai reaksi sebagai berikut: A → B → CDengan B sebagai produk yang diinginkan dan C sebagai yang tidak diinginkan. Yield B adalah mol (atau massa) B yang dihasilkan dibagi dengan mol (atau massa) A yang disediakan atau dipakai.

Selektivitas

Selektivitas adalah perbandingan dari mol produk tertentu (produk yang diinginkan) terhadap mol produk lainnya (produk yang tidak diinginkan atau produk sampingan) yang dihasilkan dalam sekumpulan reaksi.

Contoh 4. Penggunaan konversi reaksi, yield dan selektivitas

Reaksi: C2H6 → C2H4 + H2

C2H6 + H2 → 2 CH4

Dilangsungkan dalam sebuah reaktor kontinu pada keadaan steady. Umpan terdiri dari 85% mol etana (C2H6) dan sisanya inert (I). Konversi fraksional etana 0,501 dan fraksional yield etilen 0,471. Hitung komposisi molar produk dan selektivitas etilen terhadap metan.

Soal-soal Latihan (Tugas)1. Umpan A, B, C diumpankan dengan mol yang

sama ke dalam reaktor dan terjadi reaksi:A + 2 B + 3/2 C → 2 D + EJika konversi reaksi 50%, hitung jumlah mol D yang dihasilkan per mol umpan reaktor

2. Reaksi:3C2H5OH + 2 Na2Cr2O7 + 8 H2SO4 → 3 CH3COOH + 2 Cr2(SO4)3 + 2 Na2SO4 + 11 H2OJika umpan reaktor 20%mol C2H5OH, 20% Na2Cr2O7 dan sisanya H2SO4, yang mana limiting reaktan?. Hitung % kelebihan reaktan berlebih

Soal-soal Latihan di Kelas

1. Umpan reaktor terdiri dari H2 70 mol, N2 20 mol dan CO2 10 mol. Reaksi yang terjadi di reaktor:N2 + 3 H2 → 2 NH3

Jika N2 keluar reaktor sebanyak 5 mol, hitunglah konversi reaksi di reaktor dan komposisi keluaran reaktor

2. Benzen (C6H6) dapat diproduksi dengan dealkilasi toluen (C6H5CH3) dengan reaksi:C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4Juga terjadi reaksi samping:2 C6H5CH3 + H2 → (C6H5)2 + 2 CH4Umpan berupa 5 mol H2 dan 1 mol toluen. Konversi toluen 75%.Jika benzen dihasilkan sebanyak 0,03 mol, hitunglah komposisi keluaran reaktor

3. Reaksi:4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2Ojuga terjadi reaksi samping:2 NH3 + 3/2 O2 → N2 + 3 H2OUmpan reaktor : 1 mol amonia dan 10 mol udara. Seluruh NH3 terkonversi. Yield NO 95%. Hitung mol keluar reaktor.