tugas teknik reaksi kimia 2

ASSIGNMENT 2 ELEMENTS OF

CHEMICAL REACTION

ENGINEERING

KELOMPOK 10 TEKNIK REAKSI KIMIA September 16, 2013

P1-11A Set up a stoichiometric table for each of the following reactions and

express the concentration of each species in the reaction as a function of

conversion evaluating all constant (e.g., , ). Then assume the reaction follows

an elementary rate law, and write the reaction rate solely as a function of

conversion, i.e., -rA = f(X).

(a) For the liquid-phase reaction

O CH2 OH

CH2 CH2 + H2O CH2 OH

The initial concentrations of ethylene oxide and water are 1 lb-mol/ft3 and

3.47 lb-mol/ft3 (62.41 lb/ft

3 18), respectively. If k = 0.1 dm

3/mol.s at 300 K

with E = 12500 cal/mol, calculate the space-time volume for 90%

conversion at 300 K and at 350 K.

(b) For the isothermal, isobaric gas-phase pyrolysis

C2H6 C2H4 + H2

Pure ethane enters flow reactor at 6 atm and 1100 K. How would your

equation for the concentration and reaction rate change if the reaction

were to be carried out in a constant-volume batch reactor?

Answer :

(a) Diketahui :

- CA0 = 1 lb-mol/ft3

- CB0 = 3,47 lb-mol/ft3

- k = 0,1 dm3/mol.s = 10-4

(

) (

)

= 1,6 ft3/lb-mol.s

- E = 12.500 cal/mol

H2SO4

Saat T = 300


Simbol :

- A = Etilen Oksida

- B = Air

- C = Glikol

- a,b,c = 1

Ditanya :

Space-time volume for conversion 90% at 300 K and at 350 K

Jawab :

Karena soal meminta jawaban dengan menggunakan tabel stoikiometri yang

merupakan fungsi konstanta , , maka kita harus menghitung nilai konstanta tersebut

terlebih dahulu. i merupakan parameter yang digunakan untuk menyederhanakan

persamaan untuk mencari nilai number of moles (N), feed rate (F) maupun konsentrasi

(C) dari tiap-tiap spesies di dalam reaksi yang diamati. i dapat diperoleh dengan rumus

sebagai berikut :

i =

=

=

sedangkan hubungan parameter i dengan nilai konsentrasi adalah sebagai berikut :

Ci =

=

= CA0 (

)

Catatan :

Nilai () bergantung terhadap i. Jika i merupakan koefisien dari reaktan, maka

bernilai negatif () sementara jika i merupakan koefisien dari produk, maka bernilai

positif (+).

Kemudian, parameter lain yang digunakan dalam perhitungan ini adalah .

merupakan perbandingan perubahan nilai mol total ketika reaksi sudah selesai

berlangsung dengan nilai mol total yang diumpankan ke dalam reaktor. dapat diperoleh

dengan rumus sebagai berikut :

= (

)

= yA0


sedangkan hubungan parameter i dengan nilai konsentrasi adalah sebagai berikut :

Ci =

(

) (

)

dengan nilai () seperti catatan pada parmeter .

(1) Mencari nilai parameter untuk masing-masing komponen

A =

=

= 1

B =

=

= 3,47

C =

=

= 0

(2) Mencari nilai parameter untuk masing-masing komponen

= (

) = 1 1 1 = 1

= yA0

Namun, nilai Ci tidak dapat dihitung dengan menggunakan rumus dengan parameter

karena nilai T, T0, P dan P0 tidak diketahui. Maka, rumus yang akan digunakan dalam

mencari konsentrasi setiap komponen adalah dengan menggunakan parameter . Berikut

tabel stoikiometri dari reaksi pada soal :

Tabel Stoikiometri

Spesies Simbol Konsentrasi Awal Perubahan Sisa

Etilen-

Oksida

A CA0 = 1 lb-mol/ft3

= 1

=

CA0 X

= CA0 X

CA = CA0 (

)

= CA0 (1

X)


= CA0 (1 X)

= l lb-mol/ft3 (1 X)

= (1 X) lb-mol/ft3

Air

B CB0 = 3,47 lb-mol/ft3

= 3,47

=

CA0 X

=

CA0 X

= CA0 X

CB = CA0 (

)

= CA0 ( 3,47

X )

= CA0 ( 3,47 X )

= 1 lb-mol/ft3 (3,47 X)

= (3,47 X) lb-mol/ft3

Glikol C CC0 = 0

= 0

=

CA0 X

=

CA0 X

= CA0 X

CC = CA0 (

)

= CA0 ( 0 +

X )

= CA0 X

= 1 lb-mol/ft3 (X)

= X lb-mol/ft3

C0 = 4,47 lb-mol/ft3 C = (4,47 X) lb-mol/ft

3

Reaction Rate : rA = k

= k

= k

= k [ (1 X) lb-mol/ft3 ][ (3,47 X) lb-mol/ft3 ]

= 1,6 ft3/lb-mol.s [ (1 X)(3,47 X) lb-mol2/ft6 ]

= 1,6(1 X)(3,47 X) lb-mol/ft3.s

Saat T = 300 K, E = 12,5 cal/mol, konversi (X) = 90% = 0,9

rA = 1,6(1 X)(3,47 X) lb-mol/ft3.s

= 1,6(1 0,9)(3,47 0,9) lb-mol/ft3.s

= 1,6(0,1)(2,57) lb-mol/ft3.s

= 0,41 lb-mol/ft3.s

CSTR =

=

= 2,19/s


Saat T = 350 K,

Saat T = 350 K, nilai k tidak diketahui dalam soal. Nilai k dapat diperoleh dengan

perbandingan nilai k1 dan k2 dengan menggunakan persamaan Arrhenius k = A e-E/RT

:

=

=

=

=

(

)

= (1,6 lb-mol/ft3.s)

(

)

= 31,998 lb-mol/ft3

rA = 31,998 (1 X)(3,47 X) lb-mol/ft3.s

= 31,998 (1 0,9)(3,47 0,9) lb-mol/ft3.s

= 31,998 (0,1)(2,57) lb-mol/ft3.s

= 8,22 lb-mol/ft3.s

CSTR =

=

= 0,109/s

(b) Diketahui :

a C2H6 b C2H4 + c H2

- P0 = 6 atm

- T0 = 1100 K

- a, b, c = 1

- Reaksi berlangsung dalam constant-volume batch reaktor :

- Isotermal

- Isobarik

Ditanya :

Persamaan untuk perubahan konsentrasi dan laju reaksi

Jawab :


Tabel Stoikiometri

Spesies Simbol Masuk Perubahan Keluar

C2H6 A FA0

=

FA0 X

= FA0 X

FA = masuk + perubahan

= FA0 FA0 X

= FA0 (1 X)

C2H4

B 0

=

FA0 X

=

FA0 X

= FA0 X

FB = masuk + perubahan

= 0 + FA0 X

= FA0 X

H2 C 0

=

FA0 X

=

FA0 X

= FA0 X

FC = masuk + perubahan

= 0 + FA0 X

= FA0 X

C0 = FA0 C = FA0 (1 + X)

Hubungan nilai laju komponen dengan nilai konsentrasi adalah sebagai berikut :

Ci =

dimana v = v0 (1 + X) ( ) (

)

Karena reaksi berisfat isotermal dan isobarik, maka T = T0 dan P = P0, maka

persamaannya dapat disederhanakan menjadi sebagai berikut :

v = v0 (1 + X) ( ) (

) = v0 (1 + X)

merupakan perbandingan perubahan nilai mol total ketika reaksi sudah selesai berlangsung

dengan nilai mol total yang diumpankan ke dalam reaktor. dapat diperoleh dengan rumus

sebagai berikut :

= (

)


karena komponen yang masuk ke dalam reaktor hanya C2H6, maka fraksi awal C2H6 atau

adalah sama dengan 1. Dengan demikian, maka :

= (

)

= (1 + 1 1)(1) = (1)(1) = 1

Sehingga :

v = v0 (1 + X) = v0 (1 + X)

Dan nilai Ci =

=

Dengan demikian, nilai konsentrasi dari masing-masing komponen a, b dan c dapat

kita hitung sebagai fungsi dari CA0. Sebelumnya, nilai CA0 sendiri dapat diketahui dengan

menggunakan nilai tekanan dan suhu yang diketahui dari soal, yaitu sebagai berikut :

CA0 = yA0 C0 = yA0

= 1(

(

)

) = 0,066 kmol/m3

Nilai konsentrasi (C) masing-masing komponen :

CA =

=

=

= CA0

= 0,066

kmol/m3

CB =

=

=

= CA0

= 0,066

kmol/m3

CC =

=

=

= CA0

= 0,066

kmol/m3

Reaction rate :

rA = k

= k


= k

= k CA0

= 0,066 k

kmol/s.m3

Namun,jika reaksi berlangsung dalam constant-volume batch reaktor, maka harga =

1, sehingga nilai konsentrasi (C) masing-masing komponen adalah sebagai berikut :

CA =

=

=

= CA0 (1X ) = 0,066 (1X ) mol/m

3

CB =

=

=

= CA0 X = 0,066X kmol/m

3

CC =

=

=

= CA0 X = 0,066X kmol/m

3

Sementara reaction rate sebagai berikut:

rA = k

= k

= k

= k CA0 (1X )

= 0,066k (1X ) kmol/s.m3

c. For the isothermal, isobaric, catalytic gas phase oxidation

the feed enters a PBR at 6 atm and 260oC and is a stoichiometric mixture of only oxygen

and ethylene.

Jawab:


Diketahui reaksi seperti di atas, dimana terdapat pada kondisi isotermal dan isobaric.

C2H4 + O2 C2H4O

A + B C

Kemudian, dari reaksi di atas dapat dibuat persamaan mol sebagai berikut

A + B C

Mula-mula 1

Reaksi X X X

Sisa (1-X) ( - X) X

_____________________________ (dikalikan) FA0

FA0 (1-X) FA0 ( - X) FA0 X

Atau untuk mempermudah pengerjaan dapat juga dibuat tabel sebagai berikut:

Spesies Symbol Entering Change Remaining

C2H4 A FA0 - FA0X FA=FA0 (1-X)

O2 B FB0 -B FA0X FB=FA0 (B X/2)

C2H4O C 0 + FA0X FC=FA0 X

Dimana

Mencari yA0 (*yA0 merupakan fraksi mol reaktan)

Mencari nilai

aA + bB cC

*a, b, c adalah koefisien reaksi dari persamaan di atas yaitu 1, , 1

Kemudian, mencari nilai (*perlu diingat bahwa penggunaan dan dilakukan pada fasa

gas)

Dikalikan dengan FA0 .

Tanda (-) menunjukkan laju

reaksi reaktan yang semakin

berkurang. Tanda (+)

menunjukkan laju reaksi produk

yang bertambah


(

)

Langkah selanjutnya sebagaimana Figure 3-6 (Treyball) yaitu mencari konsentrasi awal A

yang menjadi basis dalam perhitungan kali ini.

Berdasarkan seluruh perhitungan diatas, dan dengan menggunakan rumus sebagai berikut,

makan akan didapatkan konsentrasi masing-masing A, B, dan C

Dimana berdasarkan persamaan (3-45)

(

)

Ingat, di soal disebutkan bahwa reaksi pada kondisi isotermal dan isobarik, sehingga Po =

P, dan To = T, maka didapatkan volumetric flowrate (v) sebagai berikut:

Sehingga pada v = vo

KONSENTRASI A

KONSENTRASI B


( )

(

)

(

)

( )

( )

KONSENTRASI C

Kemudian menentukan elementary rate law sebagai berikut:

A + B C

Maka,

{

}{

}

d. For the isothermal, isobaric, catalytic gas phase reaction is carried out in a fluidized

CSTR

the feed enters at 6 atm and 170oC and is a stoichiometric mixture. What catalyst weight

is required to reach 80% conversion in a fluidized CSTR at 170oC and 270

oC? The rate

constant is defined wrt benzene and vo = 50 dm3/min.

at 300 K with E = 80 kJ/mol

Jawab:

Pada soal, diketahui bahwa reaksi berada pada kondisi isotermal dan isobarik dengan X =

0,8 , P = 6 atm dan vo = 50 dm3/min. Persamaan reaksi sebagai berikut:

C6H6 + 2 H2 C6H10

A + 2B C

Kemudian, dari reaksi di atas dapat dibuat persamaan mol sebagai berikut

A + 2B C


Mula-mula 1 2

Reaksi X 2X X

Sisa (1-X) (2-2X) X (dikalikan) FA0

FA0 (1-X) FA0 (2-2X) FA0 X

Atau untuk mempermudah pengerjaan dapat juga dibuat tabel sebagai berikut:

Spesies Symbol Entering Change Remaining

C6H6 A FA0 - FA0X FA=FA0 (1-X)

H2 B FB0 = 2 FA0 -B FA0X FB=FA0 (B 2X)

C6H10 C 0 + FA0X FC=FA0 X

Dimana

Mencari yA0 (*yA0 merupakan fraksi mol reaktan)

Mencari nilai

aA + bB cC

*a, b, c adalah koefisien reaksi dari persamaan di atas yaitu 1, 2, 1

Kemudian, mencari nilai (*perlu diingat bahwa penggunaan dan dilakukan pada fasa

gas)

(

)

Langkah selanjutnya sebagaimana Figure 3-6 (Treyball) yaitu mencari konsentrasi awal A

yang menjadi basis dalam perhitungan kali ini.


PADA SUHU 170oC




(

)




KONSENTRASI A

KONSENTRASI B

KONSENTRASI C


Persamaan reaksi yang didapat yaitu sebagai berikut:

( )

{

( )

}

{

( )

}

BERAT KATALIS PADA CSTR

{

( )

}

at 300 K

Mencari nilai k terlebih dahulu

{

(

)}

{

(

)}

Substitusi ke persamaan berat katalis sebagai berikut:

{

( )

}


{

( )

}

Pada v0 = 5 dm3/min dan X = 0,8 maka didapat

(

) {

( )

}

Jadi pada suhu 170oC berat katalis yang dibutuhkan sebanyak

PADA SUHU 270oC




(

)





KONSENTRASI A

KONSENTRASI B

KONSENTRASI C

Persamaan reaksi yang didapat yaitu sebagai berikut:

( )

{

( )

}

{

( )

}

BERAT KATALIS PADA CSTR

{

( )

}

at 300 K

Mencari nilai k terlebih dahulu


{

(

)}

{

(

)}

Substitusi ke persamaan berat katalis sebagai berikut:

{

( )

}

{

( )

}

Pada v0 = 5 dm3/min dan X = 0,8 maka didapat

(

) {

( )

}

Jadi pada suhu 270oC berat katalis yang dibutuhkan sebanyak

P3-15B

The gas phase reaction

N2 +

H2 NH3

is to be carried out isothermally. The molar feed is 50% H2 and 50% N2, at a pressure of

16.4 atm and 227oC.

(a) Construct a complete stoichiometric table

(b) What are CA0, , and ? Calculate the concentrations of ammonia and hydrogen

when the conversion of H2 is 60%.


(c) Suppose by chance of reaction is elementary with = 40 dm3/mol.s. Write the

rate of reaction solely as a function of conversion for (1) a flow sistem and (2) a

constant volume batch system.

Diketahui :

1. Reaksi :

N2 +

H2 NH3

2. Molar Feed : 0.5 N2 dan 0.5 H2

3. P = 16.4 atm

4. T = 227oC = 500 K

5. Sistem berjalan secara ishotermal

Ditanya :

1. Tabel lengkap stoikiometri

2. CA0

3.

4.

5. CA NH3 ketika X = 60%

6. Kecepatan reaksi sebagai fungsi konversi dalam flow dan batch sistem

Jawab :

(a) Langkah-langkah membuat tabel stoikiometri.

1. Sebelum membuat tabel stoikiometri, terlebih dahulu kita misalkan H2 sebagai

spesies A, N2 sebagai B dan NH3 sebagai C. Hal ini dilakukan untuk memudahkan

dalam proses pelabelan saja. Sehingga reaksi menjadi :

A+

B C

2. Selanjutnya adalah menjadikan A, dalam hal ini H2, sebagai basis dari reaksi

sehingga pada setiap koefiensi reaksi masing-masing spesies akan dibagi dengan

koefisien H2, sehingga menjadi :

A +

B

C

3. Penetuan kolom 1-5

1.) Kolom 1 berisi spesies dari reaksi, yaitu produk dan reaktan dalam kasus ini

adalah N2, H2 dan NH3

2.) Kolom dua berisikan simbol dari masing-masing spesies

3.) Kolom 3 berisi mengenai mol awal,N0B,untuk sistem batch atau molar flow

rate awal , F0B, untuk sistem flow

4.) Kolom 4 berisi perubahan mol atau molar flowrate akibat reaksi. F0 dialikan

dengan konversi , X, dan juga koefisien stoikiometri. Misal =

F0BX


5.) Kolom 5 berisi mol atau molar flowrate yang tersisa setelah reaksi. Kolom ini

didapat dari pengurangan hasil dari kolom 2 dengan kolom 3. Misal : F0B

F0BX

4. Stokiometrik tabel :

Dalam pembuatan stoikiometrik tabel kali ini diasumsikan sistem yang digunakan

adalah flow sistem.

(b) Menghitung nilai CA0, , dan .

1. CA0

Asumsi yang digunakan dalam sistem :

- Gas Ideal

- Tidak ada Inert

- Volume berubah seiring berjalannya reaksi. Hal ini terjadi karena terlihat

dari jumlah koefisien stoikiometri yang berbeda antara produk dan reaktan.

Misal, apabila ada 1 mol N2 dan 3 mol H2 dan reaksi berjalan irreversible,

maka akan menghasilkan mol NH3 sebanyak 2 mol. Ini menunjukkan bahwa

sistem tidak memiliki volume yang tetap.

- Reakasi dijalankan di sistem flow reactor

- Tidak ada pressure drop.

CA0adalah konsentrasi awal dari H2, dalam hal ini konsentrasi H2 pada feed.

Langkah-langkah =

1.) Menentukan CT0 dari feed.

Karena gas diasumsikan Ideal, maka penetuan konsentrasi bisa menggunakan

persamaan gas ideal.

(

)

Spesies Simbol Mol awal Mol reaksi Mol sisa

H2 A FA0 FA0X FA0 FA0X = FA0(1 X)

N2 B FB0

FA0X FB0

FA0X

=FA0(B

X)

NH3 C 0

FA0X

FA0X

Total FT0 - FT = FT0

FA0X


2.) Menentukan CA0

Karena pada soal diketahui bahwa besar mol H2 pada feed adalah 50% total

dari gas, maka :

2.

merupakan jumlah penambahan total mol setiap mol dari basis yang bereaksi,

dalam hal ini A. didapat jumlah dari koefisen stoikiometri dengan memberikan

tanda minus pada koefisien stoikiometri reaktan dan plus pada.

(

)

Dari nilai yang didapat, hal ini menunjukkan bahwa terjadi penurunan jumlah

total mol sebanyak

mol dalam sistem setiap 1 mol H2 yang bereaksi.

3.

Nilai mereprenstasikan perubahan dari mol total untuk konversi 100% untuk

setiap mol total yang diumpankan pada feed.

(

)

4. Menentukan besar konsentrasi NH3 dan H2 ketika konversi H2 mencapai

60%.

1.)

Persamaan (3-44) pada buku Element of Chemical Engineering Third oleh Fogler

didapat persamaan :

Dengan mengasumsikan tidak ada pressure drop dan reaksi dilakukan secara

isothermal, maka persamaan di atas berubah menjadi :

Persamaan di atas akan dimasukkan ke dalam rumus CA sebagai fungsi konversi,

sebagai berikut :


Karena pada tabel stoikiometri

Maka,

( ( ) )

2.) NH3

Dari tabel stoikiometri didapat persamaan :

Maka,

( ( )

)

(c) Merumuskan laju reaksi dengan fungsi konversi saja.


Asumsi :

- Reaksi yang terjadi adalah reaksi elementary.

1. Flow System

Rumus untuk laju reaksi dengan reaksi elementary dari reaksi

N2 +

H2 NH3

adalah :

Persamaan konsentrasi H2 pada sistem flow/continous sebagai fungsi konversi

telah didapat pada problem (b), yaitu :

Untuk persamaan N2 sebagai fungsi konversi dapat diturunkan dengan cara

berikut :

1.) Dari tabel stoikiometri didapat bahwa :

(

)

Sedangkan parameter didapat dari ,

Sehingga persamaan menjadi :

(

)

2.) Memasukkan persamaan FB ke dalam persamaan CB.

(

)

(

)

( )

Setelah persamaan H2 dan N2 didapat, barulah dimasukkan ke dalam persamaan

laju reaksi, sehingga :


(

)

( (

)

( )

)

(

)

(

( )

)

(

( )

)

2. Batch System

Pada sistem batch diasumsikan volume tidak berubah terhadap waktu, fixed

volume. Perumusan untuk besar konsentrasi sebagai fungsi konversi berbeda

dengan sistem yang continuous. Hal yang pertama harus dilakukan adalah

membuat tabel stoikiometri dengan sistem mol, yaitu :

1. Menentukan besar konsentrasi H2 sebagai fungsi konversi.

Dari tabel stoikiometri yang baru dibuat dapat dirumuskan dengan

Sehingga,

2. Menentukan besar konsentrasi N2 sebagai fungsi konversi.

Spesies Simbol Mol awal Mol reaksi Mol sisa

H2 A NA0 A0X NA0 NA0X = NA0(1 X)

N2 B NB0

A0X NB0

NA0X =NA0(B

X)

NH3 C 0

A0X

NA0X

Total NT0 - NT = NT0

NA0X


Dari tabel stoikiometri yang baru dibuat dapat dirumuskan dengan

(

)

Dengan nilai parameter yang sama dengan sistem flow, yaitu ,

maka

(

)

(

)

3. Memasukkan besar konsentrasi H2 dan N2 ke dalam persamaan laju

reaksi

Dari perumusan nilai konsentrasi H2 dan N2maka :

( (

))

( )

(

)

(

)

(

)

16B. Calculate the equilibrium conversion and concentrations for each of the following reactions.

(a) The liquid phase reaction

With dan

(b) The gas phase reaction


Carried out in a flow reactor with no pressure drop. Pure A enters at a temperature of

400 K and 10 atm. At this temperature,

(c) The gas phase reaction in (b) carried out in a constant-volume batch reactor

(d) The gas phase reaction in (b) carried out in a constant-pressure batch reactor

Jawab

(a) Pada Fasa Liquid

Spesi=simbol Awal Berubah Sisa

A 2 -x 2-x

B 2 -x 2-x

C 0 +x x

Nilai x yang memenuhi adalah

Konsentrasi di ekuilibrium:

(b) Pada Fase Gas

Tabel stoikiometri


A C 0


Di equilibrium,

Substitusi dan mensubstitusi


(c) The gas phase reaction in (b) carried out in a constant-volume batch reactor

Tabel stoikiometri


A C 0


Di ekuilibrium,


(d) The gas phase reaction in (b) carried out in a constant-pressure batch reactor

Reaktor ini bertekanan konstan dan bertemperatur konstan

Tabel stoikiometri


A C 0


Spesi A

( )

Substitusi , , dan

Spesi C

( )

Substitusi , , dan

Di equilibrium,

Substitusi


tugas teknik reaksi kimia 2

Documents

s at 300 k with e

time volume for conversion

b for the isothermal

a for the liquid

time volume for 90

nilai mol total

molft3 air b cb0

volume batch reactor