PENGGUNAAN NERACA MAKROSKOPIS UNTUK MENYELESAIKAN MASALAH UNSTEADY-STATE
USE OF THE MACROSCOPIC BALANCES TO SOLVE UNSTEADY-STATE PROBLEMS
Dalam 23.5, diskusi terbatas pada kondisi steady-state. Di sini, kita beralih ke perilaku transien dari sistem multikomponen. Perilaku ini penting dalam banyak operasi praktis, seperti pelindian dan pengeringan padatan, pemisahan kromatografi, dan operasi reaktor kimia. Dalam banyak proses ini, panas reaksi serta perpindahan massa harus dipertimbangkan. Diskusi lengkap tentang topik-topik ini berada di luar cakupan teks ini, dan kami membatasi diri pada beberapa contoh sederhana. Diskusi lebih luas dapat ditemukan di tempat lain.
Example 23.6-1: Start-up Reaktor Kimia
Diinginkan untuk memproduksi zat B dari bahan baku A dalam reaktor kimia dengan volume V yang dilengkapi dengan pengaduk yang mampu menjaga isi reaktor tetap homogen. Pembentukan B bersifat reversibel, dan reaksi maju serta balik dapat dianggap orde pertama, dengan konstanta laju reaksi masing-masing. Selain itu, B mengalami dekomposisi ireversibel orde pertama, dengan konstanta laju reaksi
menjadi komponen ketiga C. Reaksi kimia yang relevan dapat direpresentasikan sebagai
Pada waktu t = 0, larutan A dengan konsentrasi c_A dimasukkan ke dalam reaktor yang awalnya kosong dengan laju aliran massa konstan w.
Kembangkan persamaan untuk jumlah B dalam reaktor, ketika reaktor baru saja terisi hingga kapasitas V, dengan asumsi tidak ada B dalam larutan umpan dan mengabaikan perubahan sifat fluida.
SOLUTION
Kita mulai dengan menuliskan neraca massa makroskopik unsteady-state untuk spesies A dan B. Dalam satuan mol, ini dapat dinyatakan sebagai:
Selanjutnya kita mengeliminasi dari Persamaan 23.6-3. Pertama, kita melakukan diferensiasi persamaan ini terhadap t untuk mendapatkan:
Dalam persamaan ini, kita mengganti dengan sisi kanan dari Persamaan 23.6-2, lalu menggunakan Persamaan 23.6-3 untuk mengeliminasi
. Dengan cara ini, kita mendapatkan persamaan diferensial orde dua linear untuk
sebagai fungsi waktu:
Persamaan ini harus diselesaikan dengan kondisi awal
Persamaan ini dapat diintegrasikan untuk menghasilkan
Persamaan 23.6-8 dan 23.6-9 memberikan total massa B dalam reaktor sebagai fungsi waktu, hingga waktu di mana reaktor sepenuhnya terisi. Ekspresi ini sangat mirip dengan persamaan yang diperoleh untuk manometer teredam dalam Contoh 7.7-2 dan pengendali suhu dalam Contoh 15.5-2. Namun, dapat ditunjukkan bahwa s⁺ dan s⁻ keduanya nyata dan negatif, dan oleh karena itu tidak dapat berosilasi (lihat Masalah 23B.3).