03 Bhn PAST.pptx
-
Upload
m-khahfi-zuhanda -
Category
Documents
-
view
232 -
download
0
Transcript of 03 Bhn PAST.pptx
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
1/46
PENGANTAR ANALISISTEKNIK KIMIA
OlehDr. Amir Husin, ST, MT
Dr. Eng. Rondang Tambun, ST, MT
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik !ni"ersitas Sumatera !tara
RTK ###$
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
2/46
Pengantar Analisis Teknik Kimia
raca Massa Reaktor Kimia Isotherm
Asumsi, dua senyawa A dan B, adalah
sl!ent yang terda"at dalam aliran
um"an masuk ke reaktr kimia yang
di"ertahankan "ada tem"eratur knstan#
Kedua senyawa terse$ut $ereaksi
mem$entuk senyawa ketiga P#
%a"atkanlah knsentrasi masing&masing
senyawa dalam reaktr se$agai 'ungsi
waktu#
#
(i)ai
ρi
(
) A
* ) Aρ +r A
Nera-a Massa Ttal
t t ∆
−∆
=
keluar total massalaju
masuk total massalaju
totalmassaakumulasi
... +E#/
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
3/46
t F ii ∆=
## ρ
masuk total massalaju molataukg
t F ∆=
## ρ
keluar total massalaju
( ) t r A ∆= # bereaksiA massalaju
0
t t t V V ρ ρ −=
−
=
∆+
+ tΔtttotal
massa
total
massa
totalmassa
akumulasi
Nera-a Massa Ttal +Pers# E&/ men0adi
... +E#1
molataukg
molataukg
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
4/46
Nera-a Massa Ttal +Pers# E&/ men0adi
Δt.F.ρΔt.F.ρVρVρ iitΔtt −=−+
am$il limit ∆t → 2, maka 3
Δt.F.ρΔt.F.ρΔt
VρVρii
tΔtt −=−
+
( )Δt.F.ρΔt.F.ρ
dt
ρVdii −= ... +E#4
F.Fdt
dVi −=
Atau, $ila ρ knstan
.....##.
+E#4a
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
5/46
eraca Massa Komponen:
%alam menyusun nera-a massa km"nen, adalah le$ih $aik
$eker0a menggunakan satuan mlar, khususnya 0ika meli$atkan
reaksi kimia# Misalkan, ) A ,)B , dan )P melam$angkan
knsentrasi mlar A, B dan P +ml5!lum#
Asumsi, $ahwa "ersamaan stkimetri untuk reaksi ini adalah3
PB2A +
Asumsi, tidak ada km"nen P dalam aliran um"an ke reaktr3
Pengantar Analisis Teknik Kimia
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
6/46
Neraca Massa Komponen A:
t t t ∆
+∆
−∆
=
bereaksiA massalaju
keluar A massalaju
masuk Amassalaju
Amassaakumulasi
... +E#6
t C F A Aii ∆=##masuk massalaju Amol
( )sm
Amol
s
m3
3
t C F eluar A A
∆=
##
k massalaju
Amol
Pengantar Analisis Teknik Kimia
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
7/46
( ) ( )t At t A
C V C V ## −=−=
∆++
tΔttAmassaAmassa
Amassa
akumulasi
( ) ΔtVr bereaksi
AmassaLaju
A=
( )s(vol)waktu.vol
Amol
Amol
Maka "ersamaan +E6 men0adi3
( ) ΔtVr Δt.F.Δt..F.V.V AAAiitAΔttA +−=−+%i$agi dengan ∆t3
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
8/46
( ) Vr F..F.V.V
AAAiitAΔttA +−=
∆
−+
t
am$il limit ∆t → 2, maka 3
( ) Vr F..Ftd
d(V.AAAii
A +−=
... +E7
dt
dV.
dt
d.V
td
)d(V.A
AA += ....##.. +E8
F.Fdt
dVi −= .....##.
+E#4a
%ari "ers# +E#4a3
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
9/46
( ) ( ) Vr F..F.dtd
.VtΔ
)d(V.AAAiiAAA +−=−+= F F i
Su$titusi "ers# +E#8 dan +E#4a ke +E73
( ) ( ) Vr F..F.dt
d.V AAAiiA
A +−=−+ F F i
( ) Vr .Fdt
d.V AAiAiAAA +−++−= F F F i ####
....##.. +E9
( ) ( ) Vr dt
d.V AAAi
A +−= i F
( ) ( )AAAiA r
dt
d+−=
V
F i
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
10/46
%engan -ara yang sama, maka nera-a massa km"nen masing
untuk masing&masing km"nen A, B dan P adalah 3
....##.. +E:( ) ( )PPPi
P r dt
d+−=
V
F i
....##.. +E;( ) ( )BBBiB r
dt
d+−=
V
F i
....##.. +E9( ) ( )AAAiA r
dt
d+−=
V
F i
%engan r A , r B dan r P < la0u "em$angkitan km"nen A, B dan P# Asumsi, $ahwa la0u reaksi A "er&unit !lume adalah rde&kedua,
dan dirumuskan3
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
11/46
%engan k < knstanta la0u reaksi#
B A A C C k r −= ....##.. +E#/2
B A B C C k r 2
−= ....##.. +E#// B A P C C k r = ....##.. +E#/1
Su$titusi "ersamaan +E#/2 ke +E#9, +E#// ke +E#; dan
+E#/1 ke +E#:
( ) B Ai C C k
V
F −−= AAi
A dt
d
....####.. +E#/6( ) B Ai
C C k V
F
2dt
dBBi
B
−−=
....##.. +E#/4
( ) B Ai C C k
V
F +−= PPi
P dt
d....####.. +E#/7
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
12/46
Mdel ini terdiri dari 6 =%E, yaitu 3 "ers# +E#4a, +E#/4, +E#/6 dan
+E#/7
Analisis %era0at Ke$e$asan, +%K3 sistem
>umlah !aria$el3 *lume +*, ) A , )B dan )P
>umlah "ersamaan, 6 3 "ers# +E#4a, +E#/4, +E#/6 dan +E#/7
%K < >umlah !aria$el ? 0umlah "ersamaan < 6 ? 6 < 2
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
13/46
RTK ###%
&E'(A'TAR A'A)*S*S TEK'*K KM*A
Kuliah ke-
Hubungan Konstitutif(Constitutie
Relationships!
Pengantar Analisis Teknik Kimia
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
14/46
Amir"#A-$K"%0&' &
&) Hukum-Hukum *asPengantar Analisis Teknik Kimia
+alam pemo,elan sistem pemroses angmengan,ung gas biasana memerlukanpernataan tentang hukum-hukum gas)
.alah satu ang sering ,igunakan a,alah hukumgas i,eal ang menghubungkan olume/ tekanan,an temperatur:T RV P =@ olume gas " satuan
olume
=V @
#ersamaan an ,er12aalsmenghubungkan ,ua parameter (a ,an b!untuk sistem spesi3k:
T V P @
( ) T RbV V
a P =−
+ @
@ 2
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
15/46
Amir"#A-$K"%0&' &4
&) Hukum-Hukum *asPengantar Analisis Teknik Kimia
5ntuk hukum-hukum gas lainna/ ,apat ,ilihat,alam te6tbook termo,inamika seperti .mith/an Ness/ an, Abbott (&77'!)
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
16/46
Amir"#A-$K"%0&' &'
%) Reaksi KimiaPengantar Analisis Teknik Kimia
8a9u reaksi per-unit olume (mol"olume ) aktu!biasana merupakan suatu fungsi konsentrasi,ari senaa-senaa ang bereaksi) Misal/perhatikan reaksi:
A ; % < → C ; = + >ika la9u reaksi A a,alah or,e pertama ,alam A
,an
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
17/46
Amir"#A-$K"%0&' &?
8a9u reaksi biasana ,inatakan ,alam bentukpembangkitan suatu senaa) $an,a minus (-!
mengin,ikasikan/ baha A ,ikonsumsi ,alamreaksi ,i atas)
5ntuk konsistensi satuan rA / kita 9umpai baha
k memiliki satuan (olmol < @ aktu! ) #erhatikan/ baha % mol < bereaksi ,engantiap mol A) Maka kita ,apat menulis:
B A A D
B A AC
B A A B
C C k r r
C C k r r
C C k r r
33
22
=−==−=
−==
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
18/46
Amir"#A-$K"%0&' &
.ecara umum/ koe3sien la9u reaksi merupakanfungsi tmperatur) .alah satu ang paling umum
,igunakan untuk merepresentasikan nilai ka,alah hukum la9u Arhenius:
!"#$)e%&(.Ak($) −−=
dengan3
k+T < knstanta la0u reaksi se$agai 'ungsi tem"eratur
A < 'aktr "reeks"nensial +satuannya sama dengan satuan k
E < Energi akti!asi +kal5ml#
R < Knstanta gas ideal +/,:;9 kal5gml#K
T < Tem"eratur a$slut +deg K atau deg R
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
19/46
Amir"#A-$K"%0&' &7
Baktor preeksponensial ,an energi aktiasi ,apat,iestimasi ,ari ,ata konstanta la9u reaksi sebagai
fungsi temperatur reaksi)+engan mengambil log natural ,ari hukum la9uarhenius/ maka:
=T
A '
#
!k l ln
+apat kita lihat/ baha A ,an ,apat ,iperoleh,ari slope ,an intercept plot (ln k! ersus (&"$!
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
20/46
Amir"#A-$K"%0&' %0
=) Hubungan Kesetimbangan (Duilibrium Relationships!
Pengantar Analisis Teknik Kimia
Hubungan kesetimbangan antara likui, (cairan!,an komposisi fase uap suatu komponen i / 9ika
fase tersebut ,alam kesetimbangan/ ,apat,inatakan ,engan:
iii x K y =
%engan3
i < 'raksi ml km"nen I dalam 'ase -air yi < 'raksi ml km"nen I dalam 'ase ua"
Ki < knstanta kesetim$angan ua"5-air untuk km"nen i#
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
21/46
Amir"#A-$K"%0&' %&
Konstanta kesetimbangan merupakan fungsikomposisi ,an temperatur) .ering kita 9umpai/baha asumsi olatilitas relatif konstan,ibuat untuk mene,erhanakan mo,elkesetimbangan uap"cair)
+alam sistem biner/ hubungan antara fase
uap ,an cair untuk komponen ang ringansering ,igunakan:
( ) x x
y'' −+
=α
α
%engan3
< 'raksi ml km"nen ringan dalam 'ase -air yi < 'raksi ml km"nen ringan dalam 'ase ua"
α < !latilitas relati' +α /
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
22/46
Amir"#A-$K"%0&' %%
=) Heat $ransferPengantar Analisis Teknik Kimia
La0u heat trans'er melalui suatu dinding !essel, yang memisahkan dua
'luida +misalnya 0aket reaktr da"at digam$arkan se$agai $erikut#
Ke'isien heat trans'er sering diestimasi dari data eks"eriment#
Pada taha" desain, nilainya da"at diestimasi dari krelasi, yang
meru"akan suatu 'ungsi si'at&si'at 'luida dan la0u#
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
23/46
Amir"#A-$K"%0&' %=
Aliran melalui ale (katup!Pengantar an Analisis Teknik Kimia
Aliran melalui !al!e +katu" sering digam$arkan dengan "ersamaan3
( )
g s
P x f C F V v
#
∆=
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
24/46
Amir"#A-$K"%0&' %
Tiga karakteristik !al!e yang umum, yaitu3 +i linear, +ii eCual&
"ersentage +"ersentase&sama, dan +iii Cui-k "ening +$ukaan
-e"at#
(IGDRE 1#7 # (lw -hara-teristi-s
' -ntrl !al!es# α < 72 'r eCual&"er-entage !al!e#
( ) x x f = *al!e linear
eCual&"er-entage !al!e
( ) '−= x x f α
Cui-k&"ening !al!e
( ) x x f =
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
25/46
Amir"#A-$K"%0&' %4
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
26/46
Amir"#A-$K"%0&' %'
Pengantar an Analisis Teknik Kimia
4) .istem #arameter
$er,istribusi Sistem "arameter terdistri$usi adalah suatu sistem dimana!aria$el keadaan $eru$ah dengan res"e-t terhada" "sisi dan
waktu# Perhatikan suatu raktr tu$ular dimana reaksi kimia mengu$ah
knsentrasi 'luida se$agaimana aliran $ergerak se"an0ang reaktr#
%isini, kita gunakan elemen !lume ∆* dan elemen waktu ∆t #
Asumsi, $ahwa "ersamaan stkimetri untuk reaksi ini adalah3
DC 3B2A ++ Misalkan "ersamaan la0u reaksi3
....##.. +(#/ B A A C C k r −=
∆*
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
27/46
%?
B A A B C C k r r 22 −== ....##.. +(#1
....##.. +(#4
....##.. +(#6
F∆
∆*
(i
) Ai
(
) A Z A
C F Z Z A
C F ∆+ r
E
B A AC C C k r r =−=
B A A D
C C k r r 33 =−=
%a"atkanlah knsentrasi masing&masing senyawa dalam reaktr
se$agai 'ungsi 0arak + dan waktu +t##
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
28/46
Amir"#A-$K"%0&' %
t t t ∆
+∆
−∆
=
bereaksiA massalaju
keluar A massalaju
masuk Amassalaju
Amassaakumulasi
....### +(#7
( ) t C F Z A ∆=
##
*titik &adaumeleme vol
masukAmassalajuAmol
Nera-a Massa Km"nen A
%isini, kita gunakan elemen !lume ∆* dan elemen waktu ∆t #
( )s
m
Amol
s
m3
3
( ) t C F z Z A
∆=
∆+ ∆+ ##
**titik &adaumeleme vol
keluarAmassalaju
Amol
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
29/46
( ) ( )
( ) ( )t At t A
C V C V ## ∆−∆=
−=
∆+
+ tΔttAmassaAmassa
volumelemedalamAmassaakumulasi
( ) ΔtΔVr umeleme vol
dalam bereaksiAmassaLaju
A=
( )s(vol)waktu.vol
Amol
Amol
vol
Amol(vol)
Amol
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
30/46
Maka "ersamaan +(#7 men0adi3
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ΔtVr .V.V AtAΔttA ∆+∆−∆=∆−∆ ∆++ t C F t C F Z Z A Z A ####
%i$agi dengan ∆t3
( ) ( )( ) ( ) ( ) Vr
.V.VA
tAΔttA ∆+−=
∆
∆−∆∆+
+ Z Z A Z A
C F C F
t
##
%i$agi dengan ∆*3
( ) ( ){ }( )A
tAΔttA r
+∆
−=
∆
−∆++
V
C F C F
t
Z Z A Z A ##
am$il limit ∆t → 2, ∆* → 2 maka 3
( )( )
Ar +∂∂
−=∂∂
V
C F
t
C A A
....### +(#8
......#..### +(#9
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
31/46
Dmumnya, reaktr "i"a +tu$e memiliki luas "enam"ang knstan,
sehingga3 d* < A d, dan ( < A v dengan v adalah
ke-e"atan linear dalam arah # Maka, "ersamaan +(#9 da"at ditulis3( )
( ) ( )
Ar +∂∂
−=∂∂
z A
C v A
t
C A z A #
......#..### +(#;( )
( )Ar +
∂
∂−=
∂
∂
z
C v
t
C A z A
%engan -ara yang sama, untuk km"nen B, ) dan %3
......#..### +(#:( )
( )Br +∂∂
−=∂
∂ z
C v
t
C B z B
......#..### +(#/2( ) ( )r +∂
∂−=∂
∂ z
C v
t
C C z C
......#..### +(#//( )
( )+r +∂∂
−=∂
∂ z
C v
t
C D z D
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
32/46
Amir"#A-$K"%0&' =%
......#..### +(#/1( )
B A A z A C C k
z
C v
t
C −
∂∂
−=∂∂
Su$titusi "ers +(#/ ke +(#;, di"erleh "ersamaan nera-a massa
untuk km"nen A3
Dntuk menyelesaikan "r$lem ini, harus diketahui syarat awal
se$agai 'ungsi 0arak dan waktu# Misal, kndisi syarat awal adalah3
( ) ( )
( ) ( )tt,-
*,t*-
A,A
A,A
=
==......#..### +(#/4
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
33/46
Amir"#A-$K"%0&' ==
Δtkeluar total
massalajuΔt
masuk totalmassalaju
totalmassaakumulasi
−
=
....### +(#/6
( ) Δt.ρF.*titik &adavolum
elememasuk totalmassalaju
=
totalkg
Nera-a Massa Ttal
%isini, kita gunakan elemen !lume ∆* dan elemen waktu ∆t #
( )sm
totalkg
s
m3
3
( ) Δt.ρF.Δ** &adavolum
elemekeluar totalmassalaju
Δ*+=
+ totalkg
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
34/46
( ) ( )tΔtt
tΔtt
ρ.ΔVρ.ΔV
total massa
totalmassa
volumeleme dalamtotal
massaakumulasi
−=
−
=
+
+
vol
totalkg(vol)
totalkg
Maka "ersamaan +(#/6 men0adi3
( ) ( ) ( ) ( ) t F t F Z Z Z
∆−∆=∆−∆∆++
#### ρ ρ ρ ρ tΔtt
.V.V
%i$agi dengan ∆t3
..### +(#/7
( ) ( )( ) ( )
Z Z Z F F
t ∆++ −=∆
∆−∆ ρ ρ
ρ ρ ##tΔtt
.V.V
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
35/46
%i$agi dengan ∆3
( ) ( ) ( ) ( )
V
F F
t Z Z Z
∆
−=∆
−∆++
ρ ρ ρ ρ ##tΔtt
am$il limit ∆t → 2, ∆* → 2 maka 3
( )
V
ρF.
t
ρ
∂
∂
−=∂
∂.......#.### +(#/8
Su$titusi d* < A d, dan ( < A v ke "ers# +(#/8, maka3
( )
( ) z A#∂
∂−=
∂
∂ ρ.v.A
t
ρ *
( ) z ∂
∂−=
∂∂ ρ.vt
ρ *.......#.### +(#/9
Persamaan +(#/9 dise$ut 0uga "ersamaan kntinuitas
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
36/46
Mdel Persamaan di''erensial "arsial +P%E 0auh le$ih sulit
"enyelesaiannya di$anding "ersamaan di''erensial $iasa +=%E#
Biasanya P%E dikn!ersi men0adi =%E dengan diskretisasidalam dimensi s"asial, dengan demikian teknik "enyelesaian
=%E da"at digunakan#
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
37/46
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
38/46
Amir"#A-$K"%0&' =
Pengantar an Analisis Teknik Kimia
') Mo,el $anpa +imensi
Se0umlah mdel se-arara khusus mengandung se0umlah "arameter
dan !aria$el yang nilainya mungkin $er$eda karena $e$era"a
$esaran#
%alam hal ini, sering diinginkan, atau "aling tidak untuk tu0uan
analisis, diinginkan mengem$angkan mdel yang terdiri dari"arameter dan !aria$el tan"a dimensi#
Se$agai -nth, "erhatikan suatu reaktr )STR istermal dengan
!lume knstan yang da"at dimdelkan dengan reaksi rde "ertama
( ) Ai C k
V
F −−= AAi
A dt
d....##.. +G#/
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
39/46
Kita de'enisikan,,, Ai
A
C
C x =
dengan )ai,2 adalah knsentrasi um"an A "ada keadaan steady#
( ) ,Ai-,AiAi-, dtd% , Ai
i C xk xV F −−=
d%.d.% Ai-,AAi-,A ==
Su$titusi ke "ers# +G#/3
( ) xk xV
F i −−= 'dt
d%
( ) xk V F x
V F i
f i +−= '
dtd% ....##.. +G#1
dengan,, Ai
Ai f
C
C x =
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
40/46
Amir"#A-$K"%0&' 0
Pengantar an Analisis Teknik Kimia
?)
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
41/46
Ntasi *ektr
Satu set "ers# %i''erensial se"erti Pers +G#4 da"at ditulis dalam
$entuk !ektr3
( ) &u-%-/ % =
dengan , < !ektr dari n !aria$el keadaan
u < !ektr dari m in"ut
" < !ektr dari r "arameter
.........#.# +G#4
Perlu di-atat, $ahwa mdel dinamik "ers +G#4 0uga da"at
digunakan untuk menyelesaikan "r$lem steady state, karena
,% = .........#.# +G#6
atau ( ) , &u-%-/ = ......#.# +G#7
Dntuk menyelesaikan "ersamaan +G#7, da"at digunakan teknik&
teknik numerik +misal3 Metde Newtn #
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
42/46
)nth3 Bentuk !aria$el keadaan
F.Fdt
dVi −= .......##.##. +G#8
( ) B Ai C C k
V
F −−= AAi
A dt
d
....####.. +G#;( ) B Ai C C k
V F 2
dtd
BBiB −−=
....##.. +G#9
B Ai C C k
V
F +−= P
P dt
d....####.. +G#:
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
43/46
atau
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
44/46
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
45/46
-
8/18/2019 03 Bhn PAST.pptx
46/46