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 ###$


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#/


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


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


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



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



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


8/46

( ) 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


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


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


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


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


13/46

RTK ###%

&E'(A'TAR A'A)*S*S TEK'*K KM*A

Kuliah ke-

Hubungan Konstitutif(Constitutie

Relationships!



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


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'!)


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


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

=−==−=

−==


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


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 (&"$!


20/46

Amir"#A-$K"%0&' %0

=) Hubungan Kesetimbangan (Duilibrium Relationships!


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#


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 /


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#


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

#

∆=


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 =


25/46

Amir"#A-$K"%0&' %4


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 −=

∆*


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##


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


( )s

m

Amol

s

m3

3

( ) t C F z Z A

∆=

∆+ ∆+ ##

**titik &adaumeleme vol

keluarAmassalaju

Amol


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


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


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


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


33/46

Amir"#A-$K"%0&' ==

Δtkeluar total

massalajuΔt

masuk totalmassalaju

totalmassaakumulasi

−

=

....### +(#/6

( ) Δt.ρF.*titik &adavolum

elememasuk totalmassalaju

=

totalkg

Nera-a Massa Ttal


( )sm

totalkg

s

m3

3

( ) Δt.ρF.Δ** &adavolum

elemekeluar totalmassalaju

Δ*+=

+ totalkg


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


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


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#


37/46


38/46

Amir"#A-$K"%0&' =


') 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#/


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 =


40/46

Amir"#A-$K"%0&' 0


?)


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 #


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#:


43/46

atau


44/46


45/46


46/46

03 Bhn PAST.pptx

Documents