Handout Pengantar Sistem Reaksi Heterogen

8/13/2019 Handout Pengantar Sistem Reaksi Heterogen

1/4

dy/igsb/pengantar sistem reaksi heterogen/2007/halaman 1 dari 4

Sistem reaksi heterogen merupakan sistem reaksi yang melibatkan lebih dari 1 (satu) fase.

Sebagian besar proses reaksi kimia di industri merupakan sistem reaksi heterogen, yang padaumumnya berupa sistem fluida-padatan. Sebagian besar di antaranya merupakan sistem reaksiberkatalis padat.

Dengan demikian sistem ini sangat penting untuk dipelajari.

Beberapa contoh sistem reaksi heterogen:

No. Sistem Reaksi Heterogen/ Contoh

1. Sistem gas-padat, katalitik

Reaksi-reaksi transformasi hidrokarbon:

(crackingatau perengkahan, reforming, dehidrogenasi, isomerisasi, dandesulfurisasi minyak bumi)

Pembuatan gas SO3:

SO2(g) + O2(g) SO3(g) (menggunakan katalis V2O5)

Sintesis amonia:

N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) (menggunakan katalis Fe-base)

Shift conversiondi dalam pabrik amonia/urea:

CO (g) + H2O (g) CO2(g) + H2(g) (katalis Fe-basedan Cu-base)

2. Sistem gas-padat, non-katalitik

Reduksi bijih:

ZnS (s) + 3/2 O2(g)

ZnO (s) + SO2(g)FeS (s) + 3/2 O2(g) FeO (s) + SO2(g)

Pembuatan HCl dari garam dapur NaCl:

2 NaCl (s) + SO3(g) + H2O (g) Na2SO4(s) + 2 HCl (g)

Pembakaran karbon dengan udara:

C (s) + O2(g) CO2(g)

3. Sistem cair-padat (berkatalis padat)

Alkilasi hidrokarbon cair dengan katalis AlCl3(s)

4. Sistem cair-cair (berkatalis homogen)

Alkilasi hidrokarbon cair dengan katalis HF (aq) atau H2SO4(aq)5. Sistem padat-padat, non-katalitik

Pembuatan keramik

6. Sistem gas-cair, non-katalitik

Pemisahan CO2(g) dan H2S (g) dari gas-gas dengan larutan amina

7. Sistem gas-cair-padat

Polimerisasi gas etilena dengan melarutkannya dalam pelarut yang mengandung partikel

katalis tersuspensi.

Karena melibatkan lebih dari 1 fase, maka: ada batas-batas fase

Pada umumnya, sistem reaksi heterogen melibatkan 2 proses, yakni:

1. Proses perpindahan atau transfer massa (difusi), yang merupakan proses atau peristiwafisika, dan

2. Proses reaksi kimia, yang merupakan proses atau peristiwa kimiaOleh karena itu, kecepatan proses secara keseluruhan pada umumnya dinyatakan sebagai global

(atau overall) rates, yang merupakan hasil kontribusi dari kedua proses tersebut.

PENGANTAR

SISTEM REAKSI HETEROGEN


2/4


TAHAP-TAHAP TERKONVERSINYA REAKTAN MENJADI PRODUK REAKSI

(Untuk Kasus Sistem Reaksi Heterogen Fluida-Padatan, atau Sistem Reaksi Fase

Fluida: A P yang Berkatalis Padat)

(1) Perpindahan massa reaktan dari fluida bulkke antarmuka fluida-padatan (permukaan luarpartikel padatan). Tahap ini biasa disebut sebagai difusi eksternal reaktan.

(2) Perpindahan massa reaktan secara intrapartikel ke dalam partikel padatan (jika berpori).Tahap ini biasa disebut sebagai difusi internal reaktan.

(3) Adsorpsi reaktanpada sisi-sisi aktif (interior sites) permukaan partikel padatan (ataukatalis padat).

(4) Reaksi reaktan-teradsorp menjadi produk-teradsorp di permukaan aktif padatan (ataukatalis padat).

(5) Desorpsi produk-teradsorpdari permukaan partikel padatan (atau katalis padat).(6) Perpindahan massa produk secara intrapartikel dari sisi-sisi dalam ke permukaan luar

partikel padatan (jika berpori). Tahap ini biasa disebut sebagai difusi internal produk.

(7) Perpindahan massa produk dari antarmuka fluida-padatan (permukaan luar partikelpadatan) ke fluida bulk. Tahap ini biasa disebut sebagai difusi eksternal produk.

Untuk mempelajari kinetika reaksi sistem heterogen ini, pada umumnya teknik atau metodeeksperimen yang dilakukan dikondisikan sedemikian rupa sehingga tahap yang diharapkan menjadi

penentu atau pengendali kecepatanproses secara keseluruhan adalah hanya peristiwa kimianya

(dan bukan peristiwa fisika).

Oleh karenanya, beberapa contoh upaya yang dapat dilakukan:

Meningkatkan difusi eksternal, dengan cara mempercepat proses pengadukan. Meningkatkan difusi internal, dengan cara memperkecil ukuran partikel padatan (atau katalis

padat) atau memperbanyak jumlah pori padatan (atau katalis padat), sedemikian sehingga

dapat memperluas permukaan pori padatan (atau katalis padat).

Menurunkan suhu reaksi atau melangsungkan reaksi pada suhu relatif rendah, sedemikiansehingga reaksi berlangsung relatif lambat.

GAMBARAN TENTANG GLOBAL RATE(OVERALL RATE)

Tinjaulah sebuah sistem reaksi heterogen sebagai berikut:

Reaksi fase gas ireversibel: A (g)P (g)Membutuhkan katalis padat (C) nonporous.

Kondisi isotermal (suhu tetap).Reaksi berlangsung dengan melewatkan gas melalui unggun (bed)katalis C.

Reaktan (A)

Produk reaksi (P)

Keterangan gambar:

Tahap-tahap nomor:

1, 2, 6, 7 merupakan proses difusi (peristiwafisika)

3, 4, 5 merupakan proses reaksi kimia(peristiwa kimia)


3/4


Katalis padat bersifat nonporous, sehingga tahap (2) (tahap difusi internal reaktan ke dalam pori

katalis) dan tahap (6) (tahap difusi internal produk dari dalam pori katalis) menjadi tidak ada.

Kecepatan reaksi katalitik (global rate) dapat dinyatakan per satuan luas permukaan (surface, S)

katalis:waktu.permukaanluas

bereaksiAmol][

dt

dn

S

1r A

''

A ==

Kecepatan proses secara keseluruhan dapat digambarkan melalui 2 (dua) tahap proses, yakni:

(1) Kecepatan difusi (atau fluks) A ke permukaan katalis (''

1Ar ), dan

(2) Kecepatan reaksi di permukaan katalis (''

2Ar )

CAG

CAS

x

fase gas bulk

lapisan

film gaspermukaan

katalis

fase padatan

(katalis)

(1) Kecepatan difusi (fluks) A dari fase gas bulk

ke permukaan katalis, melalui lapisan film gas:

( )ASAG

''

1A CCx

Dr =

( )ASAGG''1A CCkr = .... (i)

(2) Kecepatan reaksi di permukaan katalis (jika

diasumsikan berorde-1 terhadap A):

AS

''''

2A Ckr = .... (ii)

Kedua tahap tersebut di atas berlangsung secara seriatau berurutan.

Pada steady state:''

1Ar =''

2Ar

( ) AS''

ASAGG CkCCk =

AS

''

ASGAGG CkCkCk =

( ) AGG''GAS CkkkC =+

AG''

G

GAS C

kk

kC

+

= .... (iii)

Nilai CAS tidak dapat terukur, sedangkan CAG dapat terukur, sehingga kecepatan reaksi harus

dinyatakan sebagai fungsi CAG(atau, tidak dapat dinyatakan sebagai fungsi CAS). Dengan demikian,

dengan mensubstitusikan (iii) ke (i) dan (ii), diperolehglobal rate (overall rate)sebesar:

''A

''2A

''1A rrr == atau AGoverallAG''

G

AG

G

''G

''

''A CkCk1k1

1C

kk

kkr =

+=

+=

Dengan cara yang sama, jika kecepatan reaksi di permukaan katalis diasumsikan berorde-2

terhadap A, yakni:2

AS

''''

2A Ckr = ,

maka diperolehglobal rate (overall rate)sebesar:

( )AGG''2GGAG''''G''A Ckk4kkCk2k2k

r ++=

Keterangan:

kG koefisien transfer (atau perpindahan) massa A di fase gas

k konstanta kecepatan reaksi di permukaan katalis, per satuan massa katalis padat

1/kGdan 1/k tahanan atau resistansi kecepatan

1/kG tahanan kecepatan perpindahan massa

1/k tahanan kecepatan reaksi di permukaan katalis

1/kG+1/k tahanan keseluruhan (dijumlahkan, jika linier terhadap konsentrasi dan prosesberlangsung secara seri)


4/4


Jika sistem ditinjau pada keadaan stedi (steady state)dan tahap-tahap proses berlangsung secara:

Seri (berurutan), maka: r keseluruhan = r1= r2= ... Paralel (bersamaan), maka: r keseluruhan = r1+ r2+ ...

Selain per satuan luas permukaan (surface, S) katalis, kecepatan reaksi katalitik (global rate) juga

dapat dinyatakan dalam: waktu.fluidavolume

bereaksiAmol][dt

dn

V

1r AA == , atau

waktu).katalis(tanpadamassa

bereaksiAmol][

dt

dn

W

1r A

'

A ==

(Ingatlah kembali beberapa cara pendefinisian kecepatan reaksi, seperti yang sudah dipelajari di

materi kuliah sebelumnya).

POLA PENGONTAKAN SISTEM DUA-FASE

Banyak cara (atau pola) pengontakan dua fase. Pada hampir semua jenis reaktor untuk sistem reaksiheterogen, kecuali pada reaktor unggun terfluidisasi (fluidized bed reactor), ada 5 (lima) polapengontakan ideal untuk dua fluida yang mengalir, yakni:

No. Pola Pengontakan Gambar Skema

1.Plug A / plug B

(countercurrent)

A

B

2.Plug A / plug B

(cocurrent)

A

B

3.Plug A / plug B

(crosscurrent)A

B

4.Plug A / mixed B

(two cases)A

B Micro or

macro

Reaction in

either A or

B phase

5.Mixed A / mixed B

(two cases)A

BMicro-micro or

macro-micro

Reaction in

either A or

B phase

Sumber: Levenspiel, 1999

Documents

Handout Pengantar Sistem Reaksi Heterogen