Teknik Reaksi Kimia

Teknik reaksi kimia menjelaskan bagaimana laju reaksi dan pemilihan reaktor bersama-sama menentukan konversi, hasil, dan ukuran reaktor. Dalam bahasa sederhana, bidang ini menanyakan: jika Anda mengetahui kimianya, apa yang sebenarnya terjadi ketika kimia itu dijalankan di reaktor nyata selama waktu yang nyata?

Itulah sebabnya kinetika saja tidak cukup. Reaksi yang sama dapat memberikan hasil berbeda dalam reaktor batch, continuously stirred tank reactor, atau plug flow reactor karena fluida tidak menghabiskan waktu di reaktor-reaktor tersebut dengan cara yang sama.

Apa Arti Teknik Reaksi Kimia

Teknik reaksi kimia menggabungkan tiga gagasan:

• stoikiometri, yang memberi tahu Anda bagaimana spesies dikonsumsi dan terbentuk
• kinetika, yang memberi tahu Anda bagaimana laju bergantung pada konsentrasi, suhu, atau katalis
• perilaku reaktor, yang memberi tahu Anda bagaimana fluida bergerak, bercampur, dan menghabiskan waktu di dalam peralatan

Jika salah satu bagian itu berubah, jawaban desainnya juga bisa berubah. Hukum laju tanpa model reaktor tidak dapat memberi tahu Anda volume reaktor. Model reaktor tanpa kinetika tidak dapat memberi tahu Anda seberapa cepat konversi berkembang.

Mengapa Kinetika Saja Tidak Menentukan Konversi

Mahasiswa sering mempelajari hukum laju terlebih dahulu lalu menganggap reaktor hanyalah wadah di sekelilingnya. Teknik reaksi adalah tahap ketika Anda menghubungkan hukum laju dengan waktu, waktu tinggal, atau volume reaktor.

Untuk suatu reaktan $A$, titik awal yang umum adalah laju penghilangan:

$$-r_A$$

Ini berarti jumlah $A$ yang dikonsumsi per satuan volume reaktor per satuan waktu. Untuk menggunakannya, Anda juga memerlukan model reaktor. Reaktor batch biasanya melacak konsentrasi terhadap waktu, sedangkan reaktor alir biasanya melacak konsentrasi terhadap posisi atau waktu tinggal.

Contoh Terhitung: Konversi Reaktor Batch Orde Satu

Pertimbangkan reaksi fase cair tak balik $A \rightarrow \text{products}$ dalam reaktor batch. Asumsikan:

• reaksi berorde satu terhadap $A$
• suhu konstan, sehingga $k$ tetap konstan
• volume cairan konstan

Dalam kondisi tersebut, hukum lajunya adalah

$$-r_A = kC_A$$

Untuk reaktor batch dengan volume konstan, ini menjadi

$$\frac{dC_A}{dt} = -kC_A$$

Hasil integrasinya adalah

$$C_A = C_{A0} e^{-kt}$$

Sekarang misalkan:

• $C_{A0} = 1.0\ \mathrm{mol/L}$
• $k = 0.20\ \mathrm{min^{-1}}$
• $t = 10\ \mathrm{min}$

Maka

$$C_A = (1.0)e^{-(0.20)(10)} = e^{-2} \approx 0.135\ \mathrm{mol/L}$$

Konversi dari $A$ adalah

$$X = \frac{C_{A0} - C_A}{C_{A0}}$$

Jadi di sini,

$$X = \frac{1.0 - 0.135}{1.0} \approx 0.865$$

Reaktor batch mencapai konversi sekitar $86.5\%$ setelah $10$ menit.

Hasil ini bergantung pada benarnya asumsi-asumsi tersebut. Jika suhu berubah cukup besar sehingga mengubah $k$, jika reaksinya bukan orde satu, atau jika volume berubah selama reaksi, maka model ini tidak lagi tepat.

Mengapa Teknik Reaksi Penting dalam Praktik

Teknik reaksi mengubah "kimia ini bisa terjadi" menjadi "proses ini bisa dirancang." Bidang ini digunakan untuk:

• memperkirakan konversi dan hasil
• memilih antara reaktor batch, CSTR, dan plug flow reactor
• menentukan ukuran reaktor untuk laju produksi target
• mengevaluasi pengaruh suhu atau katalis
• mengurangi risiko keselamatan pada sistem yang sangat eksotermik

Di pabrik nyata, perpindahan panas dan perpindahan massa bisa sama pentingnya dengan kinetika intrinsik. Jika reaktan tidak dapat mencapai permukaan katalis dengan cukup cepat, atau jika panas tidak dapat dibuang dengan cukup cepat, perilaku yang teramati bisa berbeda dari model kinetika sederhana.

Kesalahan Umum dalam Teknik Reaksi

Menganggap stoikiometri sudah cukup untuk desain reaktor

Stoikiometri memberi tahu hubungan material, tetapi tidak memberi tahu berapa lama reaksi berlangsung. Desain reaktor juga memerlukan kinetika.

Menggunakan konstanta laju tanpa memeriksa satuannya

Satuan $k$ bergantung pada hukum laju. Konstanta orde satu biasanya memiliki satuan kebalikan waktu, tetapi hukum laju lain tidak demikian.

Melupakan asumsi di balik model

Pencampuran sempurna dalam CSTR, aliran sumbat ideal dalam reaktor tubular, dan volume konstan dalam reaktor batch adalah asumsi model, bukan fakta yang dijamin.

Mencampuradukkan konversi dan hasil

Konversi memberi tahu seberapa banyak reaktan yang hilang. Hasil memberi tahu seberapa banyak produk yang diinginkan terbentuk. Keduanya tidak selalu sama, terutama ketika terjadi reaksi samping.

Mengabaikan sensitivitas terhadap suhu

Banyak laju reaksi berubah kuat terhadap suhu. Model dengan $k$ konstan hanya valid jika asumsi itu masuk akal.

Di Mana Teknik Reaksi Kimia Digunakan

Gunakan teknik reaksi ketika pertanyaannya bukan hanya "apa yang bereaksi?" tetapi juga "seberapa cepat, sejauh mana, dan di peralatan apa?" Ini mencakup pengolahan bahan bakar, produksi polimer, reaktor katalitik, fermentasi, pengolahan lingkungan, dan manufaktur farmasi.

Bidang ini sangat penting ketika Anda perlu membandingkan jenis reaktor atau meningkatkan skala reaksi laboratorium menjadi proses yang lebih besar. Kimianya mungkin tetap sama, tetapi kinerja reaktornya belum tentu sama.

Coba Soal Reaktor Serupa

Ambil contoh batch tadi dan tetapkan target konversi $95\%$ alih-alih mencari konversi setelah waktu tetap. Lalu selesaikan waktu batch yang diperlukan. Ini adalah langkah lanjutan yang alami karena mengubah model yang sama menjadi keputusan desain, bukan sekadar perhitungan langsung.