Teknik reaksi kimia: neraca massa reaktif, konversi, selektivitas, reaktor batch, CSTR, dan alir sumbat, waktu tinggal, dan neraca panas

Sebuah laundry rumah sakit memasang bak netralisasi untuk menurunkan pH air limbahnya sebelum masuk saluran kota. Dosis asam sudah dihitung dari debit dan pH rata-rata, tetapi pH keluaran bak sering melonjak setiap kali mesin cuci membuang air cuci utama. Di gudang yang sama, kadar pemutih hipoklorit yang disimpan turun jauh lebih cepat pada musim kemarau, sehingga dosis di mesin tidak lagi tepat. Ketika teknisi melarutkan kerak di tangki air panas dengan asam klorida, gas yang keluar jauh lebih banyak daripada perkiraannya dan ruangan harus dikosongkan.

Ketiga kejadian itu bukan soal salah memilih bahan kimia. Bahan kimianya benar; yang perlu dipahami adalah berapa cepat reaksi berjalan, berapa lama zat berada di dalam bak, berapa banyak yang bereaksi, dan ke mana panas dan gas hasil reaksi pergi. Itulah pokok teknik reaksi kimia. Bab ini membawa stoikiometri, laju reaksi, dan kesetimbangan dari bab-bab sebelumnya ke dalam wadah tempat reaksi benar-benar terjadi.

Batas pembahasan

Bab ini membahas neraca massa dengan reaksi, konversi, selektivitas, rendemen, hukum laju dan waktu paruh, reaktor batch, CSTR, reaktor alir sumbat, tangki seri, waktu tinggal nyata, neraca panas reaktor, daur ulang, dan kesetimbangan sebagai batas. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat konversi sebagai parameter yang menghubungkan jumlah dan konsentrasi pereaksi, rendemen massa dalam neraca massa, kriteria mutu proses berupa produktivitas, konversi, rendemen, dan kemurnian, pemilihan katalis untuk selektivitas, selektivitas yang dinaikkan dengan menurunkan konversi per lintasan, pergeseran kesetimbangan dengan pereaksi berlebih, CSTR dengan konsentrasi dalam sama dengan keluaran, dan pembuangan panas pada oksidasi fase cair dari buku teknologi reaksi kimia, reaktor yang dirancang dengan waktu tinggal untuk konversi tertentu dari buku perancangan teknik kimia, konversi kesetimbangan 0,50 dari buku teknik kimia dengan aplikasi komputer, neraca massa reaktor, konversi reaksi orde pertama di reaktor batch, reaktor tubular sebagai rangkaian reaktor batch kecil, dan laju pembuangan panas dari CSTR dari buku kimia industri, serta pereaksi pembatas dan waktu paruh reaksi dari buku kimia umum dan buku kimia tingkat menengah.

Mol, pereaksi pembatas, dan rendemen diambil dari bab mol dan stoikiometri, laju reaksi dan energi aktivasi dari bab laju reaksi, tetapan kesetimbangan dari bab kesetimbangan, entalpi reaksi dan bahaya pengenceran dari bab termokimia, dan volume gas dari bab stoikiometri gas. Analisis yang menghasilkan angka konversi dibahas di bab kimia analitik lapangan. Alur pengolahan air dibahas di Bab 2 · Air & Pengolahan Air, limbah laundry dan IPAL di Bab 17 · Laundry, dan descaling di Bab 9 · Dishwashing. Batas pH buangan, nilai CT disinfeksi yang disyaratkan, dan faktor sekat tangki kontak tidak disalin; angka itu diambil dari peraturan dan pedoman yang berlaku. Tetapan laju di bab ini adalah angka latihan kecuali disebut lain.

Neraca massa dengan reaksi

Neraca massa untuk satu zat dalam sistem yang bereaksi memiliki dua suku tambahan dibanding neraca tanpa reaksi:

$\text{masuk} - \text{keluar} + \text{terbentuk} - \text{terpakai} = \text{akumulasi}$

Buku kimia industri dalam sumber menggambarkan neraca massa sebuah reaktor dengan bentuk ini. Pada keadaan tunak, akumulasi nol. Pada reaktor batch, tidak ada aliran masuk dan keluar selama reaksi, sehingga akumulasi sama dengan terbentuk dikurangi terpakai. Neraca massa total tetap berlaku tanpa suku reaksi, karena reaksi kimia tidak menciptakan atau memusnahkan massa, tetapi neraca untuk setiap zat harus memuat suku reaksinya. Neraca atom, misalnya jumlah klor atau natrium, juga tidak memuat suku reaksi dan berguna untuk memeriksa hitungan.

Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa rendemen massa sering dipakai dalam neraca massa karena lebih alami untuk skala industri. Di lapangan, neraca biasanya ditulis dalam mol per jam untuk reaksi dan dalam kg per jam atau L per jam untuk dosis bahan kimia, lalu dikonversi dengan massa molar dan massa jenis (Contoh 1).

Tingkat reaksi, konversi, selektivitas, dan rendemen

Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber menyebut konversi sebagai parameter yang menghubungkan jumlah dan konsentrasi pereaksi, dan mencantumkan produktivitas, konversi, rendemen, dan kemurnian produk sebagai kriteria teknis mutu proses. Definisinya, untuk pereaksi pembatas A dan produk yang diinginkan P:

$X = \frac{n_{A,0} - n_A}{n_{A,0}} \qquad S = \frac{n_P}{n_{A,0} - n_A} \qquad Y = \frac{n_P}{n_{A,0}} = X \cdot S$

dengan perbandingan stoikiometri disesuaikan bila koefisien reaksinya bukan 1 : 1. Konversi menyatakan berapa bagian pereaksi yang bereaksi; selektivitas menyatakan berapa bagian dari yang bereaksi menjadi produk yang diinginkan; rendemen menyatakan berapa produk yang didapat dari pereaksi awal (Contoh 2).

Buku kimia tingkat menengah dalam sumber mencatat bahwa reaksi berhenti ketika pereaksi pembatas habis, dan buku kimia umum mencatat bahwa langkah pertama soal pereaksi pembatas adalah menentukan pereaksi mana yang membatasi. Prinsip ini menentukan hasil kasus pembuka yang ketiga: jumlah gas karbon dioksida dari pelarutan kerak ditentukan oleh pereaksi yang habis lebih dulu, asam atau kerak (Contoh 3).

Konversi tinggi tidak selalu baik. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa selektivitas terhadap produk yang diinginkan dapat dinaikkan dengan menurunkan konversi per lintasan, dan bahwa pemilihan katalis yang cermat diperlukan untuk selektivitas yang tepat. Bila produk yang diinginkan dapat bereaksi lebih lanjut menjadi produk samping, konversi yang dipaksa tinggi justru menurunkan selektivitas.

Laju reaksi dan orde: hukum laju dan waktu paruh

Bab laju reaksi membahas pengaruh konsentrasi, suhu, dan katalis. Untuk teknik reaksi, laju dinyatakan dengan hukum laju, misalnya $r = k\,c_A$ untuk reaksi orde pertama. Pada reaksi orde pertama, konsentrasi turun eksponensial terhadap waktu:

$c_A = c_{A,0}\,e^{-kt} \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{k}$

Waktu paruh orde pertama tidak bergantung pada konsentrasi awal. Buku kimia umum dalam sumber memberi contoh waktu paruh suatu reaksi pada 730 °C sebesar $3{,}58 \times 10^3$ menit. Banyak proses lapangan mendekati orde pertama: peluruhan klorin di air, penguraian hipoklorit dalam penyimpanan, dan penguraian hidrogen peroksida. Penguraian hipoklorit juga dipercepat oleh suhu menurut persamaan Arrhenius di bab laju reaksi, sehingga pemutih yang disimpan di gudang panas kehilangan kekuatannya lebih cepat (Contoh 4). Batas umur simpan dan suhu penyimpanan produk diambil dari pemasok, seperti dibahas di Bab 8 · Laundry.

Reaksi orde dua, $r = k\,c_A c_B$, melambat lebih tajam ketika pereaksi menipis, karena kedua konsentrasi turun bersamaan. Netralisasi asam kuat dengan basa kuat begitu cepat sehingga lajunya praktis ditentukan oleh pengadukan, bukan oleh kinetika kimia.

Reaktor batch

Reaktor batch diisi, dibiarkan bereaksi, lalu dikosongkan. Mesin cuci yang mengisi air, menambah bahan kimia, memanaskan, dan menguras adalah reaktor batch. Buku kimia industri dalam sumber memuat grafik konversi reaksi orde pertama terhadap waktu di reaktor batch, dan juga rancangan reaktor batch serbaguna yang dioptimalkan. Untuk reaksi orde pertama, waktu yang diperlukan untuk mencapai konversi $X$ adalah:

$t = \frac{-\ln(1 - X)}{k}$

Hubungan logaritmik ini memberi pelajaran praktis: menaikkan konversi dari 90 persen ke 99 persen memerlukan waktu dua kali lipat, dan setiap tambahan angka sembilan memerlukan tambahan waktu yang sama (Contoh 5). Itulah sebab pembilasan dan pelarutan noda tidak pernah benar-benar sempurna; yang dapat dipilih adalah seberapa dekat dan dengan berapa banyak waktu.

Reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR)

Pada CSTR, aliran masuk dan keluar terus-menerus, dan isinya diaduk sempurna. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa pada CSTR pencampuran umpan terjadi seketika, sehingga konsentrasi di dalam reaktor sama dengan konsentrasi di keluaran. Akibatnya, reaksi di seluruh volume berjalan pada konsentrasi keluaran yang rendah, dan lajunya lambat. Waktu tinggal rata-rata adalah:

$\tau = \frac{V}{Q}$

Neraca keadaan tunak untuk reaksi orde pertama memberi $X = k\tau/(1 + k\tau)$, atau $\tau = X/[k(1 - X)]$. Buku perancangan teknik kimia dalam sumber mencatat bahwa reaktor dirancang dengan waktu tinggal tertentu untuk mencapai konversi yang diinginkan.

Bak netralisasi berpengaduk mendekati CSTR. Sifat CSTR juga menjelaskan lonjakan di kasus pembuka: ketika mesin membuang air cuci utama yang sangat basa dalam waktu singkat, beban basa yang masuk naik jauh di atas rata-rata yang dipakai untuk menghitung dosis, dan sebagian air itu keluar sebelum sempat bertemu cukup asam. Bak ekualisasi di hulu, dosis yang dikendalikan pH, atau bak netralisasi bertahap mengatasi masalah itu, seperti dibahas di Bab 17 · Laundry. Neraca panas CSTR juga penting; buku kimia industri dalam sumber memuat laju pembuangan panas dari CSTR.

Reaktor alir sumbat (PFR) dan tangki seri

Pada reaktor alir sumbat, fluida mengalir seperti sumbat tanpa bercampur ke depan atau ke belakang, sehingga setiap bagian fluida mengalami waktu reaksi yang sama. Buku kimia industri dalam sumber menggambarkan reaktor tubular sebagai rangkaian reaktor batch ideal yang sangat kecil, dan memuat elemen diferensial reaktor tubular untuk menyusun neracanya. Karena itu persamaan PFR sama dengan persamaan batch dengan waktu diganti waktu tinggal: untuk orde pertama, $X = 1 - e^{-k\tau}$.

Untuk reaksi orde positif, PFR selalu memerlukan volume lebih kecil daripada CSTR untuk konversi yang sama, karena konsentrasi di sepanjang PFR tinggi di awal dan menurun bertahap, sedangkan CSTR bekerja seluruhnya pada konsentrasi keluaran. Perbedaannya makin besar pada konversi tinggi. Membagi satu CSTR menjadi beberapa tangki seri mendekati perilaku PFR: dengan $N$ tangki sama, $1 - X = (1 + k\tau_i)^{-N}$ (Contoh 6). Itulah alasan tangki kontak disinfeksi dibuat bersekat dan bak netralisasi sering dibuat bertahap.

Waktu tinggal nyata: jalan pintas, zona mati, dan kontak disinfeksi

Reaktor nyata tidak pernah CSTR atau PFR ideal. Sebagian fluida mengambil jalan pintas dari masukan ke keluaran dan keluar jauh lebih cepat daripada $\tau$, dan sebagian lain terperangkap di zona mati yang tidak ikut mengalir. Distribusi waktu tinggal diukur dengan pelacak: zat yang mudah diukur, seperti garam yang dideteksi dengan konduktivitas, disuntikkan di masukan, lalu kadarnya di keluaran dicatat terhadap waktu, seperti dibahas di bab kimia analitik lapangan.

Untuk disinfeksi, yang menentukan adalah waktu kontak fluida yang paling cepat keluar, bukan rata-ratanya. Karena itu pedoman disinfeksi memakai waktu ketika sepuluh persen pelacak pertama sudah keluar ($t_{10}$) dan hasil kali konsentrasi disinfektan dengan waktu kontak, yang disebut CT. Tangki tanpa sekat dapat memiliki $t_{10}$ hanya sebagian kecil dari $\tau$ (Contoh 7). Nilai CT yang disyaratkan dan faktor sekat untuk berbagai bentuk tangki diambil dari pedoman yang berlaku, bukan dari bab ini.

Neraca energi reaktor: kenaikan suhu adiabatik dan reaksi lari

Banyak reaksi lapangan melepaskan panas: netralisasi, pengenceran asam dan basa pekat, oksidasi, dan pelarutan kerak. Bila panas tidak sempat dibuang, suhu naik sebesar kenaikan suhu adiabatik:

$\Delta T_\text{ad} = \frac{(-\Delta H_r)\,c_{A,0}\,X}{\rho\,c_p}$

Kenaikan ini sebanding dengan konsentrasi. Mencampur larutan encer hanya menaikkan suhu beberapa kelvin, sedangkan mencampur larutan pekat dapat mendidihkan campuran dan memercikkan cairan korosif, seperti bahaya pengenceran di bab termokimia (Contoh 8).

Bila laju reaksi naik dengan suhu, reaktor yang panasnya tidak terbuang dapat masuk ke putaran umpan balik: reaksi memanaskan campuran, suhu menaikkan laju, laju menambah panas. Keadaan ini disebut reaksi lari. Panas yang dibangkitkan naik eksponensial terhadap suhu menurut Arrhenius, sedangkan panas yang dibuang hanya naik sebanding beda suhu dengan pendingin; di atas titik tertentu, pembuangan tidak lagi mampu mengejar. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa pembuangan panas adalah persoalan penting pada reaksi oksidasi fase cair. Di lapangan, risiko yang sama muncul ketika bahan kimia reaktif ditambahkan terlalu cepat ke tangki tanpa pengadukan, lalu bereaksi sekaligus ketika pengaduk dinyalakan.

Daur ulang, purge, dan konversi per lintasan

Bila konversi per lintasan rendah, pereaksi yang belum bereaksi dapat dipisahkan dan dikembalikan ke reaktor. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber memberi beberapa contoh: hidrogen yang dipisahkan, dimampatkan, dan didaur ulang ke reaktor, dan metanol yang dipulihkan dan didaur ulang. Dengan daur ulang penuh, konversi keseluruhan dapat mendekati 100 persen walaupun konversi per lintasan rendah, tetapi aliran yang melewati reaktor menjadi jauh lebih besar daripada umpan segar (Contoh 9). Zat lembam dan pengotor yang ikut terdaur ulang menumpuk, sehingga sebagian aliran harus dibuang sebagai purge.

Pola yang sama muncul di peralatan cuci. Tangki cuci mesin konveyor yang terus disirkulasikan adalah sistem daur ulang: kotoran dan sisa makanan menumpuk sampai sebagian air dibuang dan diganti air bilas segar. Laju pembuangan itulah purge-nya, dan kadar kotoran keadaan tunak di tangki ditentukan oleh neraca antara kotoran masuk dan air yang dibuang.

Kesetimbangan sebagai batas konversi

Reaksi bolak-balik tidak dapat melampaui konversi kesetimbangan, berapa pun lamanya. Untuk reaksi sederhana $\text{A} \rightleftharpoons \text{B}$ dengan tetapan $K$, konversi kesetimbangan $X_e = K/(1 + K)$. Buku teknik kimia dengan aplikasi komputer dalam sumber menyelesaikan persamaan kesetimbangan dan mendapat konversi kesetimbangan 0,50, yang sesuai dengan $K = 1$ pada bentuk sederhana ini. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa kesetimbangan dapat digeser dengan memakai salah satu pereaksi berlebih, prinsip Le Chatelier dari bab kesetimbangan. Membuang produk, misalnya gas yang keluar dari larutan, juga menggeser kesetimbangan ke arah produk; itulah sebab pelarutan kerak karbonat dengan asam di wadah terbuka berjalan sampai pereaksi pembatas habis.

Contoh kerja

Contoh 1. Neraca asam untuk netralisasi. Air limbah 2,0 m³/jam mengandung NaOH 0,010 M (pH 12). Reaksi $2\,\text{NaOH} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ memerlukan $0{,}5 \times 0{,}010 \times 2.000 = 10$ mol/jam asam sulfat, yaitu 981 g/jam. Dengan asam 98 persen (massa jenis 1,84 kg/L), dosisnya $981/0{,}98 = 1.000$ g/jam, sekitar 0,54 L/jam, sebelum ditambah kebutuhan untuk alkalinitas lain di air.

Contoh 2. Konversi, selektivitas, dan rendemen. Dari 10,0 mol A, 8,0 mol bereaksi, menghasilkan 6,0 mol produk P dan 2,0 mol produk samping (reaksi 1 : 1). $X = 8{,}0/10{,}0 = 0{,}80$, $S = 6{,}0/8{,}0 = 0{,}75$, dan $Y = 6{,}0/10{,}0 = 0{,}60 = 0{,}80 \times 0{,}75$.

Contoh 3. Pereaksi pembatas pada pelarutan kerak. Kerak 5,0 kg kalsium karbonat (49,9 mol) dan 30 L HCl 10 persen (massa jenis 1,05 kg/L, berisi 3,15 kg atau 86,4 mol HCl). Reaksi $\text{CaCO}_3 + 2\,\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$ memerlukan 99,9 mol HCl untuk seluruh kerak, sehingga HCl pembatas. Kerak yang larut 43,2 mol (4,3 kg), dan gas karbon dioksida 43,2 mol, yaitu $43{,}2 \times 24{,}5 = 1.060$ L, lebih dari satu meter kubik.

Contoh 4. Penguraian pemutih dalam penyimpanan. Bila waktu paruh hipoklorit pada 30 °C 100 hari (angka latihan), $k = \ln 2/100 = 0{,}00693$ per hari. Setelah 30 hari tersisa $e^{-0{,}208} = 0{,}81$, sehingga kadar 12,5 persen turun menjadi sekitar 10,2 persen. Bila laju di gudang 40 °C dua kali lebih cepat (angka latihan), waktu paruhnya 50 hari dan setelah 30 hari tersisa $e^{-0{,}416} = 0{,}66$, sekitar 8,2 persen.

Contoh 5. Waktu reaktor batch. Reaksi orde pertama dengan $k = 0{,}20$ per menit. Untuk $X = 0{,}90$: $t = \ln 10/0{,}20 = 11{,}5$ menit. Untuk $X = 0{,}99$: $t = \ln 100/0{,}20 = 23{,}0$ menit, dua kali lipat.

Contoh 6. CSTR, PFR, dan tangki seri. Dengan $k = 0{,}20$ per menit, $X = 0{,}90$, dan debit 10 L/menit: CSTR $\tau = 0{,}90/(0{,}20 \times 0{,}10) = 45$ menit, volume 450 L. PFR $\tau = 11{,}5$ menit, volume 115 L. Tiga tangki seri: $1 + k\tau_i = 10^{1/3} = 2{,}154$, sehingga $\tau_i = 5{,}77$ menit dan total 17,3 menit, volume sekitar 173 L.

Contoh 7. Jalan pintas di tangki kontak. Tangki 2,0 m³ dengan debit 4,0 m³/jam memiliki $\tau = 30$ menit. Uji pelacak menunjukkan $t_{10} = 6$ menit, sehingga $t_{10}/\tau = 0{,}20$. Dengan klorin 1,0 mg/L, CT efektif $1{,}0 \times 6 = 6$ mg·menit/L, bukan 30 mg·menit/L seperti yang disiratkan waktu tinggal rata-rata.

Contoh 8. Kenaikan suhu netralisasi. Mencampur volume sama NaOH 1,0 M dan HCl 1,0 M menghasilkan 0,50 mol air per liter campuran. Dengan entalpi netralisasi $-57{,}3$ kJ/mol (nilai baku) dan $\rho c_p \approx 4{,}18$ kJ/(L·K): $\Delta T = 0{,}50 \times 57{,}3/4{,}18 = 6{,}9$ K. Dengan larutan 10 M, kadar hasilnya 5,0 mol/L dan kenaikannya sekitar 69 K, cukup untuk mendidihkan campuran yang mulai dari suhu ruang.

Contoh 9. Daur ulang dan konversi per lintasan. Umpan segar 100 mol/jam dengan konversi per lintasan 25 persen dan daur ulang penuh tanpa purge. Pada keadaan tunak, semua umpan segar akhirnya bereaksi, sehingga umpan reaktor $100/0{,}25 = 400$ mol/jam dan aliran daur ulang 300 mol/jam, tiga kali umpan segar.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Asam akan dipakai untuk melarutkan kerak di tangki atau pipa tertutup tanpa ventilasi, tanpa jalur pelepas gas, atau tanpa menghitung gas yang terbentuk (Contoh 3). Ikuti Bab 9 · Dishwashing dan Bab 1 · Keselamatan.
2. Asam atau basa pekat akan dicampur atau dinetralkan langsung tanpa pengenceran bertahap, pengadukan, dan pendinginan. Tambahkan bahan pekat ke air sedikit demi sedikit, seperti di bab termokimia.
3. Bahan kimia reaktif sudah ditambahkan ke tangki tanpa pengadukan, dan pengaduk akan dinyalakan. Bahan yang menumpuk dapat bereaksi sekaligus.
4. Suhu tangki reaksi terus naik setelah penambahan bahan dihentikan, atau tangki mulai berbuih dan berasap. Jauhi tangki, hentikan pasokan, dan ikuti prosedur darurat.
5. Dosis netralisasi atau disinfeksi akan diubah tanpa data pH, debit, atau uji pelacak, sementara hasilnya menyangkut buangan ke saluran kota atau keamanan air.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Dosis dari debit rata-rata cukup untuk bak netralisasi." Beban yang datang tiba-tiba melewati CSTR sebelum sempat bertemu cukup penetral.

"Waktu tinggal rata-rata adalah waktu kontak setiap bagian air." Jalan pintas membuat sebagian air keluar jauh lebih cepat; disinfeksi ditentukan oleh bagian yang tercepat.

"Konversi dari 90 ke 99 persen hanya perlu sedikit tambahan waktu." Pada orde pertama, waktunya menjadi dua kali lipat.

"Satu tangki besar sama dengan beberapa tangki kecil seri." Tangki seri lebih mendekati alir sumbat dan memerlukan volume total lebih kecil untuk konversi yang sama.

"Reaksi yang panasnya kecil pada larutan encer juga aman pada larutan pekat." Kenaikan suhu adiabatik sebanding dengan konsentrasi.

"Konversi tinggi selalu lebih baik." Konversi yang dipaksa tinggi dapat menurunkan selektivitas dan menambah produk samping.

Hubungan dengan bab lain

Bab mol dan stoikiometri memberi pereaksi pembatas dan rendemen, bab laju reaksi hukum laju dan Arrhenius, bab kesetimbangan batas konversi, bab termokimia entalpi dan bahaya pengenceran, bab stoikiometri gas volume gas, dan bab kimia analitik lapangan cara mengukur konversi dan distribusi waktu tinggal. Bab 2 · Air & Pengolahan Air membahas alur pengolahan air, Bab 17 · Laundry limbah laundry dan IPAL, Bab 9 · Dishwashing descaling, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Bab reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia berikutnya membahas reaksi yang tidak diinginkan.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan neraca, rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Dari 20 mol A, 15 mol bereaksi dan menghasilkan 12 mol produk yang diinginkan (reaksi 1 : 1). Berapa konversi, selektivitas, dan rendemennya?
2. Berapa waktu reaktor batch untuk konversi 95 persen pada reaksi orde pertama dengan $k = 0{,}10$ per menit?
3. Berapa waktu tinggal CSTR untuk konversi 80 persen pada reaksi yang sama?
4. Bila waktu paruh hipoklorit 60 hari, berapa bagian yang tersisa setelah 120 hari?
5. Mengapa CSTR memerlukan volume lebih besar daripada PFR untuk konversi yang sama?
6. Mengapa menetralkan asam pekat langsung dengan basa pekat berbahaya walaupun hasilnya hanya garam dan air?

Kunci jawaban beralasan

1. $X = 15/20 = 0{,}75$, $S = 12/15 = 0{,}80$, dan $Y = 12/20 = 0{,}60$, sesuai $Y = X \cdot S$.
2. $t = -\ln(1 - 0{,}95)/0{,}10 = \ln 20/0{,}10 = 30$ menit.
3. $\tau = 0{,}80/(0{,}10 \times 0{,}20) = 40$ menit, karena CSTR bekerja pada konsentrasi keluaran yang rendah.
4. 120 hari adalah dua waktu paruh, sehingga tersisa $(1/2)^2 = 0{,}25$, yaitu seperempat kadar awal.
5. Isi CSTR tercampur sempurna sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah dan lajunya lambat, sedangkan PFR memanfaatkan konsentrasi tinggi di bagian awalnya.
6. Panas netralisasi sebanding dengan jumlah yang bereaksi per liter; pada larutan pekat kenaikan suhu adiabatik dapat puluhan kelvin sehingga campuran mendidih dan memercikkan cairan korosif.

Referensi