Reaksi+Ganda

Reaksi Ganda

Sarapan pagi bagi Sang Juara bukanlah Roti tetapi kritikan dan atau saran anda.

Reaksi yang terjadi di dalam suatu reaktor jarang sekali hanya satu buah reaksi (reaksi tunggal/ single reaction) tetapi kebanyakan yang akan terjadi adalah jenis reaksi ganda (multiple reaction) yang akan dihasilkan produk yang diinginkan dan produk yang tidak diinginkan. Salah satu kunci keberhasilan dari aspek ekonomi suatu industri kimia`adalah terjadinya produk yang tidak diinginkan diminimalkan sekecil mungkin selama produk yang diinginkan terjadi.

Ada tiga jenis reaksi ganda yaitu reaksi paralel, reaksi seri dan reaksi independen.

Reaksi paralel Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda pula.Contoh :

A R R atau A

A S S

Contoh reaksi paralel yang cukup terkenal pada skala industri adalah reaksi oksidasi terhadap etilen akan dihasilkan produk yang diinginkan adalah etilen oksid sementara selama terjadi reaksi oksidasi sebagian etilen terbakar sempurna dan dihasilkan produk yang tidak diinginkan adalah uap air dan karbon dioksida.

C2H4 + ½ O2 C2H4O

C2H4 + 3 O2 2CO2 + 2 H2O

1Mining Harsanti, TRK3, Waktu satu batch

k1

k2

k1

k2

Reaksi seriReaksi seri atau reaksi konsekutif yaitu dari reaktan terbentuk produk antara yang aktif kemudian lebih lanjut berubah menjadi produk lain yang stabil.Contoh :

A R S

Reaksi seri yang terkenal pada skala industri adalah reaksi antara etilen-oksid dan ammonia berurutan terbentuk mono-etanol-amin, kemudian reaksi berlanjut terbentuk di-etanol-amin dan produk akhir adalah tri-etanol-amin.

C2H4O + NH3 HOCH2CH2NH2

(HOCH2CH2NH)2NH (HOCH2CH2)3N

Reaksi ganda yang melibatkan reaksi seri dan reaksi paralel :Contoh :

A + B C + D

A + C E

Reaksi yang melibatkan reaksi paralel dan reaksi seri yang terjadi pada skala industri adalah pembentukan butadiena dari etanol :

C2H5OH C2H4 + H2O

C2H5OH CH3CHO + H2

C2H4 + CH3CHO C4H6 + H2O


k1 k2

k1 E O

E O

k1

k2

Reaksi IndependenContoh :

A R

B S + T

Reaksi independen terjadi karena di dalam umpan terkandung bebrapa macam reaktan, contoh dari reaksi independen yang sering terjadi adalah proses pengolahan minyak bumi menjadi gasolin (bensin).

Reaksi ParalelPada reaksi paralel, dipastikan ada produk yang diinginkan (notasi D) dan produk yang tidak diinginkan (notasi U)

A D

A U

Proses reaksi yang diinginkan adalah meminimalkan terjadinya produk yang tidak diinginkan (U) dan sekaligus memaksimalkan terjadinya produk yang diinginkan (D).

Gambar 1 : Sistem reaksi-separasi produk D dan U3

Mining Harsanti, TRK3, Waktu satu batch

k2

k1

kU

kD

D

U

A

SEPARASI

REAKTOR

Memaksimumkan jumlah produk yang diinginkan pada reaksi paralel

Ada beberapa cara untuk meminimalkan jumlah produk yang tidak diinginkan, U antara lain dengan cara jenis reaktor yang digunakan atau kondisi operasi (penetapan temperatur reaksi dan tekanan di dalam reaktor).

Contoh : Reaksi paralel :

A D

A U

Maka laju reaksi paralel tersebut adalah :

(6.1)

(6.2)

Dan laju pengurangan mol zat A sama dengan laju pertambahan pembentukan zat D dan zat U :


Biaya TotalBiaya Reaktor

Biaya Separator

Rendah Tinggi

Biaya

Gambar 2 : Efisiensi Sistem Reaktor dan Separator

kU

kD

k1

(6.3)

(6.4)

Nilai α1 dan α2 positif, dan diinginkan laju pembentukan zat D, rD

jauh lebih besar dari laju pembentukan zat U, rU. Dan perbandingan laju pembentukan zat D terhadap laju pembentukan zat U disebut parameter laju selektivitas zat D, harus sebesar mungkin.

(6.5)

Memaksimumkan parameter laju selektivitas, S untuk satu buah reaktan.

Ada beberapa cara untuk memaksimumkan parameter laju selektivitas, S untuk kasus orde reaksi yang berbeda dari masing-masing reaksi untuk pembentukan zat D maupun zat U.

Kasus I untuk α1 > α2

Untuk orde reaksi pembentukan zat D, lebih besar dari orde reaksi pembentukan zat U maka nilai α1 – α2 = a adalah positif.

(6.6)

Dari persamaan (6.6) apabila diinginkan nilai SDU yang maksimum, bisa dicapai apabila nilai konsentrasi reaktan zat A, CA selama reaksi berlangsung sebesar mungkin. Apabila reaksi dalam fasa gas, untuk mempertahankan supaya konsentrasi zat A, CA sebesar mungkin maka reaksi harus dilangsungkan tanpa ada zat Inert dan tekanan operasi harus tinggi. Dan apabila reaksi fasa cair, maka harus dihindarkan penggunaan reaktan yang encer se minimum mungkin.


Untuk kasus ini sebaiknya dipilih reaktor Batch atau Plug Flow Reactor (PFR) karena pada kedua reaktor tersebut untuk penggunaan konsentrasi reaktan yang tinggi akan berkurang secara bertahap selama reaksi berlangsung. Berbeda dengan reaktor jenis CSTR, konsentrasi reaktan akan turun secara drastis begitu reaktan masuk ke dalam reaktor. Oleh karena itu untuk kasus ini reaktor jenis CSTR tidak dipilih.

Kasus II untuk α2 > α1

Untuk kasus orde reaksi pembentukan zat U lebih besar dari orde reaksi pembentukan zat D :

A D

A U

Dan

(6.7)

Dari persamaan (6.7) apabila diinginkan nilai SDU yang maksimum maka nilai konsentrasi A, CA setelah reaksi sekecil mungkin. Nilai konsentrasi A, CA setelah reaksi kecil bisa dicapai apabila digunakan umpan/reaktan yang encer yaitu bisa dicapai dengan cara ditambahkan zat Inert pada umpan dan reaksi sebaiknya dilangsungkan di dalam reaktor jenis CSTR karena proses yang terjadi pada CSTR konsentrasi reaktan akan cepat sekali mengecil. Disamping itu, aliran produk keluar dari CSTR yang memang konsentrasinya sudah encer dapat di daur ulang (recycle) masuk bersama-sama umpan segar sehingga konsentrasi reaktan yang kecil tetap dapat dipertahankan.

Karena nilai energi aktivasi (E) dari kedua reaksi tersebut tidak diketahui maka tidak dapat ditetapkan apakah reaksi tersebut


kU

kD

sebaiknya dioperasikan pada temperatur rendah atau tinggi. Sensitivitas dari parameter laju selektivitas suatu produk terhadap temperatur dapat ditentukan dari nilai rasio konstanta laju kedua reaksi tersebut.

A = faktor frekuensi tergantung berat dan struktur molekul, frekuensi dan posisi tumbukan antar molekul

E = energi aktivasi reaksi yaitu energi minimum yang diperlukan sehingga reaksi dapat berlangsung.

Kasus III untuk ED > EU

Supaya rD besar, maka kD harus besar dan nilai kD akan berubah menjadi besar dapat dicapai apabila temperatur semakin tinggi, dan sebaliknya nilai kU semakin mengecil dengan bertambahnya nilai temperatur reaksi. Maka supaya nilai SDU maksimum sebaiknya temperatur reaksi dioperasikan sebesar mungkin.

Kasus IV untuk EU > ED

Untuk kasus ini sebaiknya reaksi dilangsungkan pada temperatur sekecil mungkin untuk supaya nilai SDU maksimum, tetapi sekalipun begitu temperatur reaksi tidak boleh terlalu rendah karena apabila temperatur reaksi terlalu kecil bisa saja reaksi untuk pembentukan produk yang diinginkan malah tidak berlangsung.

Contoh SoalMeminimumkan produk yang tidak diinginkan dari reaktan tunggal

Reaksi fasa gas dengan reaktan tunggal, A terdekomposisi menjadi 3 buah produk. Satu buah produk yang diinginkan, yaitu zat D dan dua buah produk yang tidak diinginkan yaitu zat Q dan zat U.


Reaksi untuk produk yang diinginkan :

A D

Diketahui laju reaksi :

(E6-1.1)

Reaksi untuk produk yang tidak diinginkan :

A U


(E6-1.2)

Reaksi untuk produk yang tidak diinginkan :

A Q


(E 6-1.3)

Bagaimana cara yang harus dilakukan (yaitu pemilihan jenis reaktor, tekanan dan temperatur reaksi) supaya konsentrasi dari produk yang tidak diinginkan (yaitu zat U dan zat Q) nilainya kecil.

Dari ketiga persamaan laju reaksi tersebut, hanya satu faktor dari pangkat eksponensial yang terbedakan dengan jelas yaitu nilai energi aktivasi, E. Nilai energi aktivasi untuk reaksi pertama dan kedua (yaitu 36000 dan 25000) jauh lebih besar dibandingkan dengan nilai energi aktivasi reaksi ketiga (yaitu 5000), apabila reaksi


kU

kD

kQ

dilangsungkan pada temperatur tinggi maka reaksi ketiga dari reaksi pembentukan zat Q yang tidak diinginkan dapat diabaikan.

Parameter laju selektivitas zat D terhadap zat Q :

(E 6-1.4)

Sehingga yang dibahas adalah parameter laju selektivitas produk zat D terhadap zat U :

(E 6-1.5)

Dari persamaan (E 6-1.5) jumlah produk yang tidak diinginkan zat U dapat diminimukan apabila reaksi dilangsungkan pada konsentrasi reaktan zat A, CA yang kecil. Jadi untuk memaksimumkan konversi zat A menjadi produk zat D sebaiknya reaktor dioperasikan pada temperatur tinggi untuk meminimumkan laju pembentukan produk zat Q dan digunakan konsentrasi reaktan zat A yang encer ditujukan untuk meminimumkan laju pembentukan zat U.

Jadi kesimpulannya adalah :1. Dioperasikan pada temperatur tinggi2. Konsentrasi reaktan zat A yang encer, yaitu dapat dengan cara :

a. Ditambahkan zat Inertb. Jika reaksi fasa gas, dioperasikan pada tekanan rendahc. Dipilih reaktor jenis CSTR atau direcycle (di daur ulang)

Memaksimumkan Parameter Laju Selektivitas, S untuk dua reaktan

Dua macam reaktan menghasilkan dua produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda pula :


k1

A + B D

A + B U


(6.9)

(6.10)

Parameter laju selektivitas zat D terhadap zat U :

(6.11)

Dari persamaan (6.11) nilai SDU dapat dimaksimumkan, dengan cara berbagai konfigurasi dan jenis reaktor yang digunakan seperti ditampilkan pada Gambar 6.3.


k2

Zat A

Zat B

CSTR

Zat A

Zat B

(b) Reaktor Pipa

( c ) Reaktor Batch

kQ


Zat B

Mula-mula Zat A dimasukkan

(d) Reaktor Semibatch

Zat A

Mula-mula Zat B dimasukkan

(e) Reaktor Semibatch

Zat A

Zat B

(f) Reaktor Pipa dengan aliran umpan dari samping

Zat A

Zat B

(g) Reaktor Pipa dengan aliran umpan dari samping


Zat A

Zat B

(h) Reaktor pipa dengan Recycle (daur ulang)

Reaktor CSTR yang dipasang seri

Zat B

Zat A

Memaksimalkan Produk yang diinginkan dalam Reaksi Seri

Telah diketahui bahwa produk yang tidak diinginkan bisa diminimalkan dengan cara kondisi reaksi diatur seperti nilai konsentrasi reaktan yang digunakan dan atau dengan cara pemilihan tipe/jenis reaktor yang sesuai. Untuk reqaksi seri/konsekutif variabel waktu merupakan faktor yang paling penting, seperti space time (waktu ruang) untuk reaktor alir dan waktu reaksi untuk reaksi satu Batch. Contoh :

A B C

Zat B adalah produk yang diinginkan.

Apabila laju reaksi pertama lambat sementara laju reaksi kedua cepat, maka akan sangat sulit terbentuknya zat B. Apabila laju reaksi pertama cepat dan laju reaksi kedua lambat, maka kemungkinan akan


k1 k2

Gambar 6.3 : Jenis dan konfigurasi Reaktor yang berbeda untuk Meminimumkan jumlah produk yang tidak diinginkan

terbentuk produk zat B pada jumlah yang besar. Sekalipun reaksi dilangsungkan lebih lama di dalam reaktor Batch atau reaksi dilangsungkan di dalam reaktor pipa yang sangat panjang, tetap saja produk zat B akan terkonversi menjadi zat C. Dalam perhitungan waktu yang diperlukan suatu reaksi tidak ada satupun reaksi yang nilainya tepat/pasti, apabila dibandingkan dengan reaksi seri.

ContohMemaksimalkan Yield dari produk antara

Reaksi oksidasi terhadap etanol untuk menghasikan asetaldehid, dilangsungkan dengan menggunakan katalis dengan komposisi 4%-b Cu, 2%-b Cr dalam Al2O3. Sayangnya dengan katalis tersebut asetaldehid juga teroksidasi menjadi karbon dioksida. Reaksi oksidasi tersebut dilangsungkan dengan oksigen yang berlebih yang terdapat dalam campuran yang sangat encer (yaitu : 0,1% etanol, 1% oksigen dan 98% nitrogen). Sehingga perubahan volume fuida selama reaksi dapat diabaikan.Tentukan konsentrasi asetaldihid sebagai fungsi space time.

CH3CH2OH (g) CH3CHO 2 CO2

Reaksi seri tersebut reaksi searah dan masing-masing reaksi adalah orde satu.

Penyelesaian :

A B C

1. Neraca Mol zat A :

a). Hukum laju :

b). Stokiometri reaksi :

c). Kombinasi :


k1 k2

+ 5/2 O2+ ½ O2

- H2O - 2 H2O

d). Diintegralkan dengan nilai batas untuk W = 0 , CA = CA0

2. Neraca mol zat B :

a). Hukum laju (netto) :

b). Stokiometri reaksi :

c). Kombinasi :


d). Bentuk Umum :

Dengan :

Penyelesaian umum :

Jadi penyelesaian :


Pada awal reaksi yaitu saat τ’ = 0, nilai CB = 0 maka :


τ3’τ1

’ τ4’τ2

’

Ci

τ1

AB

C


Documents

Reaksi+Ganda