Penentuan Kecepatan Reaksi pada Reaksi Gas-Cair Reaksi gas-cair merupakan reaksi yang sering ser ing ada dalam dunia industri. Baik sebagai reaksi utama, absorpsi, maupun untuk menimgkatkan distribusi bahan agar terjadi reaksi secara homogen. Reaksi tersebut seperti pembentukan Natrium Amida dari gas Amoniak dan larutan Natrium, adsorpsi campuran gas dengan menggunakan air bercampur reagen sebagai solven dan sebagainya. Proses reaksi tersebut didekati dengan beberapa faktor sebagai berikut : 1. Bentuk kecepatan reaksi overall, dalam hal ini ditentukan oleh gabungan kecepatan transfer massa dan kecepatan reaksi. 2. Kesetimbangan kelarutan, kesetimbangan ini mengakibatkan pembatasan pada pergerakan antar fase dan menentukan tempat terjadinya reaksi. 3. Skema pencampuran, skema yang dimaksud seperti reaksi batch, semi batch, maupun kontinyu. A. Kecepatan reaksi Dalam menentukan kecepatan reaksi pada reaksi gas-cair dimisalkan sebuah gas A bereaksi dengan larutan B menghasilkan produk C, reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
(→) + () →
Gas A akan mendifusi pada larutan B dan terjadi terj adi reaksi dalam fase larutan, la rutan, sehingga perhitungan kecepatan reaksi didasarkan pada transfer massa dan reaksi kimia yang terjadi. Kecepatan reaksi yang terjadi dapat diasumsikan bereaksi dalam orde satu, sehingga persamaan kecepatan reaksi yang terjadi sebagi berikut :
a.
=
Kecepatan transfer massa gas A ke cairan B tanpa reaksi kimia Berdasarkan teori dua film (two-phase ( two-phase theory), theory), gas A dari fase gas bulk akan mendifusi pada gas film, melalui interface, interface, mendifusi pada liquid film dan film dan cairan bulk. Reaksi dapat terjadi pada interface, liquid film, maupun liquid bulk sesuai dengan kecepatan gas A mendifusi. Proses transfer massa dapat diilustrasikan sebagai berikut :
1
Transfrer massa komponen A dari badan utama gas ke interface dapat dinyatakan sebagai berikut :
= ( − ) = = ( − ) ( = −=) =( − ) ( + − =) = (+ −) = + + = + + − = + + − ++ = +− = + ( − ) = +1 ( − ) 1 = 1 + ( − ) = (−") == (−") = 1 +1 ( − )
Pada interface terjadi kesetimbangan yang dapat diekspresikan dengan persamaan Henry sebagai berikut : Transfrer massa komponen A dari interface ke badan utama cairan dapat dinyatakan sebagai berikut : Pada keadaan steady state
Sehingga
Jika tidak terdapat reaksi kimia yang terjadi maka, dan,
Sehingga,
2
== konsent r asi A dal a m f a se gas konsent r asi A dal a m f a se cai r == konsent r asi A dal a m f a se gas pada keadaan set i m bang konsent r asi A dal a m f a se cai r pada keadaan set i m bang = konstanta Henry Dengan,
b.
Persamaan kecepatan reaksi berdasarkan transfer massa dan reaksi kimia Berdasarkan apa yan terjadi di gas film, liqud film, dan badan cairan, maka diketahui kecepatan reaksi yang terjadi bergantung pada konstanta kecepatan seperti k, k g, dan k l, serta rasio konsentrasi reaktan PA/CB dan konstanta Henry H A. Reaksi dapat terjadi pada liqud film dan badan cairan, seperti terlihat pada gambar berikut :
Secara umum persamaan kecepatan reaksi berdasarkan transfer massa dan reaksi kimia overall yaitu :
−" = 1 + 1 + ℎ =
Dimana,
i. ii. iii. iv.
Berdasarkan hal tersebut, terdapat delapan kasus reaksi yang dapat terjadi, yaitu : Kasus A : Instantaneous reaction with low C B Kasus B : Instantaneous reaction with high CB Kasus C: Fast reaction in liquid film, with low CB Kasus D: Fast reaction in liquid film, with high CB 3
v.
vi. vii.
i.
Kasus E and F: Intermediate rate with reaction in the film and in the main body of the liquid Kasus G: Slow reaction in main body but with film resistance Kasus H: Slow reaction, no mass transfer resistance Kasus A : I nstantaneous reaction wi th l ow C B Pada kasus ini reaksi terjadi pada liqud film yang dapat dilihat pada gambar berikut :
" − " − = = ( − ) = ( − 0) = ( − 0) − =
Berdasarkan gambar tersebut maka persamaan kecepatan reaksinya menjadi :
Dan
X0, x, CAi, dan PAi sulit untuk diukur, sehingga harus dieliminasi. Persamaan tersebut menjadi :
( − 0) = ( − 0) − = − − = = +
4
( − ) = ( − 0) ( − ) = ( − ) = ( − ) = + − = + −"" = ( − ) − = ( − ) − −" = − + − ( + ) −" = + − + + −" = + + " − = 1 + 1 > = ⁄⁄ = Pembilang dan penyebut dibagi
Dalam kasus ini
sehingga
dan
sehingga,
5
+ −" = 1 + 1 ii.
Kasus B : I nstantaneous r eaction with hi gh C B Pada kasus ini reaksi akan terjadi pada interface yang dapat dilihat pada gambar berikut :
Hal ini terjadi karena
≤ −" =
sehingga reaksi yang membatasi adalah
transfer massa pada gas film dan kecepatan reaksinya menjadi :
iii. Kasus C: F ast reaction in l iqui d fil m, with l ow C B
Pada kasus ini reaksi berjalan cepat dan cukup cepat untuk seluruh CB bereaksi pada liquid film seperti gambar berikut :
6
Berdasarkan gambar tersebut diketahui CB akan habis sebelum mencapai interface dan dapat dianggap reaksi sesuai dengan orde dua sebagai berikut :
−" = 1 +1 iv. Kasus D: F ast reaction in l iqui d fil m, with h igh C B
Pada kasus ini reaksi berjalan cepat namun tidak semua C B dapat bereaksi pada liquid film seperti gambar berikut :
Berdasarkan gambar tersebut diketahui CB masih tersisa saat mencapai interface dan dapat dianggap reaksi sesuai dengan orde satu sebagai berikut :
−" = 1 + 1 √ v.
Kasus E and F : I nter mediate r ate with reaction in the fil m and in the main body of the li quid
Dalam kasus ini reaksi berjalan cukup lambat, namun CB masih dapat bereaksi pada interface dan terdapat zat A yang bereaksi pada badan cairan seperti terlihat pada gambar berikut :
7
−" = 1 + 1 +
Berdasarkan gambar tersebut maka persamaan kecepatan reaksinya yaitu :
vi. Kasus G: Slow reaction i n main body but wi th f il m r esistance Pada kasus ini reaksi terjadi pada badan cairan dengan zat A mengalami difusi pada liqud film seperti gambar berikut.
−" = 1 + 1 +
Persamaan kecepatan reaksinya menjadi :
vii. Kasus H : Slow reaction, no mass transfer resistance Pada kasus ini reaksi terjadi pada badan cairan dengan zat A tidak mengalami hambatan pada liqud film seperti gambar berikut.
Persamaan kecepatan reaksinya menjadi : 8
−" = = Untuk mengidentifikasi setiap kasus tersebut dapat menggunakan Hatta Number. Hatta number diperoleh dari persamaan sebagai berkut :
Dengan reaksi A pada orde ke m dan B pada orde n menjadi :
Atau,
Dengan, MH>2, reaksi terjadi pada liquid film seperti kasus A,B,C, dan D 0,02
9
Pada persamaan reaksi dengan slude, maka kecepatan reaksi yang terjadi dapat disimulasikan sebagai gambar berikut :
Terlihat bahwa pada gas A pada badan utama gas tidak terjadi perubahan konsentrasi karena campuran sudah homogen, kemudian pada gas film dan liquid film konsentrasi A menurun secara linier yang menunjukkan terjadi hambatan. Pada badan utama cairan konsentrasi A kembali konstan karena diasumsikan terjadi gitasi tang menyebabkan konsentrasi homogen. Pada lapisan cair film yang bersebelahan dengan padatan juga terjadi penurunan konsentrasi secara linier sebelum akhirnya masuk kedalam badan padatan dan mendifusi. Secara keseluruhan fenomena tersebut dapat ditulis dalam bentuk matematis sebagai berikut :
10
Jika CBl >> CAl, maka :
Jika CBl << CAl, maka :
11
