Post on 31-Dec-2015
description
PENGARUH LAJU ALIR UDARA TERHADAP HOLD UP GAS,
LAJU SIRKULASI, DAN KOEFISIEN TRANSFERMASSA GAS-CAIR
PADA HIDRODINAMIKA REAKTOR
Bahtiar Bagus, Devi Alfilovita, dan Thias Hamas
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang
Jl. Prof Soedarto – 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058
Abstrak Reaktor merupakan alat utama pada industri yang digunakan untuk proses kimia yaitu mengubah
bahan baku menjadi produk. Dari berbagai macam reaktor yang digunakan untuk kontak fase gas
cair, diantaranya reaktor kolom gelembung dan reaktor air lift. Hidrodinamika reaktor mempelajari
kelakuan dinamik cairan dalam reaktor sebagai akibat laju alir sirkulasi gas masuk reaktor dan
karakteristik cairannya, hidrodinamika reaktor meliputi hold up gas dan laju sirkulasi cairan. Pada
percobaan ini variabel tetap yang digunakan adalah konsentrasi Na2SO3 0,01N, konsentrasi
Na2S2O3.5H2O 0,1 N, tinggi cairan 90 cm dan panjang lintasan 35 cm, sedangkan variabel
berubahnya laju alir 4 L/m, 5 L/m, 6 L/m. Hasil percobaan menunjukkan nilai hold up gas semakin
tinggi dengan bertambahnya laju alir dikarenakan bertambahnya fraksi udara dalam reaktor,
sehingga menambah nilai hold up gas. Semakin besar laju alir maka harga kLa akan semakin
bertambah karena laju sirkulasi berbanding terbalik dengan luas daerahnya.. Ulr lebih besar
daripada Uld karena adanya pengaruh dorongan udara dari sparger. Semakin tinggi laju alir maka
semakin rendah nilai koefisien transfer massa gas – cair (kLa) karena oksigen yang masuk ke reaktor
berada dalam jumlah yang relatif kecil, maka persediaan O2 untuk bereaksi dengan Na2SO3 makin
kecil. Semakin lama waktu tinggal, nilai kLa semakin berkurang karena jumlah Na2SO3 yang bereaksi
dengan O2 semakin sedikit. Kata kunci :hidrodinamika reaktor, laju alir, hold up gas, kLa, laju sirkulasi
Abstract
The reactor is the main tool used in industrial chemical processes that convert raw materials into
products. Various reactors used for the gas phase of liquid contact, such as bubble column reactor
and the reactor air-lift. Study of the dynamic behavior of the reactor hydrodynamics of liquid in the
reactor as a result of the circulation gas flow rate into the reactor and the characteristics of the fluid,
the hydrodynamics of the reactor cover hold up gas and liquid circulation rate. In this experiment the
constant variables are the the concenrtation Na2SO3 0,01N, the concentration of Na2S2O3.5H2O 0.1 N,
the liquid level is 90 cm, and the path length 35cm, while the variable studied is concentration of air
flow 4L/m, 5L/min, 6L/m. From the experimental results that the hold up gas value increasing due to
increased of air flow because when the air fraction higher in reactor the hold up values increased.
Increasing of air concentration make the kLa value increased because the higher concentration effect
on oxygen that will be reacting increased. Ulr larger than the Uld due to the influence of the sparger
air encouragement. Increasing air flow make kLa decreased because small amount oxygen entered on
reactor that make oxygen reacted with Na2SO3 smaller. The longer solution stayed, the value of kLa
decreasing because of the amount of Na2SO3 that will be reacting with O2 decreased.
Keywords : reactor hydrodynamics, air flow, gas hold up, kLa, rate of circulation
1. Pendahuluan
Reaktor dapat diklasifikasikan atas dasar
cara operasi, fase maupun geometrinya.
Berdasarkan cara operasinya dikenal reaktor
batch, semi batch, dan kontinyu. Berdasarkan
fase reaksi yang terjadi didalamnya reaktor
diklasifikasikan menjadi reaktor homogen dan
reaktor heterogen, sedangkan ditinjau dari
geometrinya dibedakan reaktor tangki
berpengaduk, reaktor kolom, reaktor fluidisasi
dan lain lain. Dari berbagai macam reaktor
yang digunakan untuk kontak fase gas-cair,
diantaranya dikenal reaktor kolom gelembung
(bubble column reaktor) dan reaktor air lift.
Pada perancangan reaktor, fenomena
hidrodinamika yang meliputi hold up gas dan
cairan, laju sirkulasi merupakan faktor yang
penting yang berkaitan dengan laju
perpindahan massa.
Pada percobaan ini dipelajari bagaimana
pengaruh tinggi cairan terhadap hold-up gas
(ε), bagaimana pengaruh tinggi cairan terhadap
laju sirkulasi (vL), dan berapa koefisien
transfer massa gas-cair (kLa) yang terbentuk.
Setelah melakukan percobaaan, diharapkan
mahasiswa mampu membandingkan pengaruh
tinggi cairan terhadap hold-up gas (ε),
membandingkan pengaruh tinggi cairan
terhadap laju sirkulasi (vL), serta mampu
menghitung koefisien transfer massa gas-cair
(kLa).
Parameter yang penting dalam perancangan
reaktor air lift adalah hold up gas. Hold up gas
pada bagian riser dan downcomer yang
besarnya dipengaruhi oleh laju sirkulasi cairan
dan koefisien dispersi cairan dalam berbagai
daerah. Dalam aplikasi reaktor air lift terdapat
dua hal yang mendasari mekanisme kerja dari
reaktor tersebut, yaitu hidrodinamika dan
transfer massa gas-cair.
Hidrodinamika reaktor mempelajari
perubahan dinamika cairan dalam reaktor
sebagai akibat laju alir yang masuk reaktor dan
karakteristik cairannya. Hidrodinamika reaktor
meliputi hold up gas (rasio volume gas
terhadap volume gas cairan dalam reaktor) dan
laju sirkulasi cairan dispers dalam fase
tersebut.
Internal Loop
Eksternal Loop
Gambar 1 Tipe Reaktor Air Lift
Keuntungan penggunaan reaktor air lift
disbanding reaktor konvensional lainnya, di
antaranya:
1. Perancangannya sederhana, tanpa ada
bagian yang bergerak.
2. Aliran dan pengadukan mudah
dikendalikan.
3. Waktu tinggal dalam reaktor seragam.
4. Kontak area lebih luas dengan energi
input yang rendah.
5. Meningkatkan perpindahan massa.
6. Memungkinkan tangki yang besar
sehingga meningkatkan produk.
Kelemahan reaktor air lift antara lain:
1. Biaya investasi awal mahal terutama
skala besar.
2. Membutuhkan tekanan tinggi untuk
skala proses yang besar.
3. Efisiensi kompresi gas rendah.
4. Pemisahan gas dan cairan tidak efisien
ketika timbul busa (foaming)
Di dalam perancangan bioreaktor, faktor
yang sangat berpengaruh adalah
hidrodinamika reaktor, transfer massa gas-cair,
rheologi proses dan morfologi produktifitas
organisme. Hidrodinamika reaktor meliputi
hold up gas (fraksi gas saat penghaburan) dan
laju sirkulasi cairan. Kecepatan sirkulasi cairan
dikontrol oleh hold up gas, sedangkan hold up
gas dipengaruhi oleh kecepatan kenaikan
gelembung. Sirkulasi juga mempengaruhi
turbulensi, koefisien perpindahan massa dan
panas serta tenaga yang dihasilkan.
Hold up gas atau fraksi kekosongan gas
adalah fraksi volume fase gas pada disperse
gas-cair atau slurry. Hold up gas keseluruhan
().
....(1)
di mana = hold up gas
V = volume gas (m3)
VL = volume cairan (m3)
Hold up gas digunakan untuk menentukan
waktu tinggal gas dalam cairan. Hold up gas
dan ukuran gelembung mempengaruhi luas
permukaan gas cair yang dierlukan untuk
perpindahan massa. Hold up gas tergantung
pada kecepatan kenaikan gelembung, luas
gelembung dan pola aliran, inverted
manometer adalah manometer yang digunakan
untuk mengetahui beda tinggi cairan akibat
aliran gas, yang selanjutnya dipakai pada
perhitungan hold up gas () pada riser dan
downcomer.
Besarnya hold up gas pada riser dan
downcomer dapat dihitung dengan persamaan
....(2)
....(3)
....(4)
di mana : = hold up gas
r = hold up gas riser
d = hold up gas downcomer
L = densitas cairan (kg/m3)
= densitas gas (kg/m3)
= perbedaan tinggi
manometer riser (m)
= perbedaan tinggi
manometer
downcomer (m)
z = perbedaan antara taps
tekanan (m)
Hold up gas total dalam reaktor dapat
dihitung dari keadaan tinggi dispersi pada saat
aliran gas masuk reaktor sudah mencapai
keadaan tunak (steady state). Persamaan untuk
menghitung hold up gas total adalah sebagai
berikut:
....(5)
di mana : = hold up gas
ho = tinggi campuran gas setelah
kondisi tunak (m)
hi = tinggi cairan mula-mula dalam
reaktor (m)
Hubungan antara hol up gas riser (r) dan
donwcomer (d)dapat dinyatakan dengan
persamaan 6 :
....(6)
di mana : Ar = luas bidang zona riser (m2)
Ad = luas bidang zona downcomer
(m2)
Sirkulasi cairan dalam reaktor air lift
disebabkan oleh perbedaan bulk densitas
fluida, riser dan downcomer. Sirkulasi fluida
ini dapat dilihat dari perubahan fluida, yaitu
naiknya aliran fluida pada riser dan
menurunnya aliran pada downcomer. Besarnya
laju sirkulasi cairan (Uld) dapat dihitung
dengan persamaan 7 (Blanke, 1979) :
....(7)
di mana:Uld =laju sirkulasi cairan downcomer
(m/jam)
Lc = panjang lintasan dalam reaktor
(m)
tc = waktu (jam)
Laju sirkulasi tidak dihitung pada semua
bagian, rata-rata laju sirkulasi cairan dihitung
hanya pada satu daerah. Sedang hubungan
antara laju aliran cairan pada riser dan
downcomer ditunjukan pada persamaan 8
(Coulson and Richardson, 1997) :
ULr.Ar = ULd.Ad ....(8)
di mana: ULr = laju sirkulasi cairan riser
(m/jam)
ULd = laju sirkulasi cairan
downcomer (m/jam)
Ar = luas bidang zona riser (m2)
Ad = luas bidang zona downcomer
(m2)
Kecepatan permukaan harus dibedakan dari
kecepatan linear cairan yang sesungguhnya
dengan kecepatan interstifial sebab dalam
kenyataannya cairan hanya menempati
sebagian aliran air, sedangkan lainnya
ditempati oleh gas. Hubungan kecepatan
interstafial (VL) dan kecepatan permukaan
(UL) dapat ditunjukan pada persamaan 9 dan
10 :
....(9)
....(10)
di mana :VLr = kecepatan intersial cairan riser
(m/jam)
VLd = kecepatan intersial cairan
downcomer (m/jam)
Koefisien perpindahan masssa volumetric
(kLa) adalah kecepatan spesifik dari
perpindahan massa (gas teradsobsi per unit
waktu, per unit luas kontak, per beda
konsentrasi). kLa tergantung pada sifat fisik
dari sistem dan dinamika fluida.
Pengukuran konstanta perpindahan massa
gas-cair dapat dilakukan dengan Metode
Sulfit. Metode ini berdasarkan pada reaksi
reduksi natrium sulfit. Mekanisme reaksi yang
terjadi :
Reaksi dalam reaktor :
Na2SO3 + 0,5 O2 Na2SO4 + Na2SO3(sisa)
Reaksi saat analisa :
Na2SO3(sisa) + KI + KIO3 Na2SO4 + 2KIO2
+ I2(sisa)
I2 (sisa) + 2 Na2S2O3 Na2S4O6 + 2NaI
Perubahan konsentrasi Na2SO3 dengan waktu
+ menit = ro – r mmol/L
O2 yang bereaksi = ½ (ro-rn) mmol/L
= 13 mmol/L
O2 yang masuk reaktor=13 mmol/L x 32 gr O2
1 mol (gr/L.s)
Data kelarutan pada t tertentu (henry) = 1 t = –
Dengan PO2 = tekanan parsial oksigen
Kelarutan O2 = C* . q =
=
= C*q
kLa =
= E s-1
= (
)
2. Metode Penelitian
Percobaan dilakukan dengan mengisi
cairan dalam reaktor dengan ketinggian 90
cm. Kemudian menghidupkan kompresor
dan mengatur laju alir udara sesuai variabel
4 L/m, 5L/m, dan 6 L/m dan menambahkan
Na2SO3 sesuai variabel 0,01N. Setelah itu,
mengukur perbedaan tinggi inverted
manometer zona riser dan downcomer.
Gambar 2 Rangkaian Alat Hidrodinamika
Reaktor
Keterangan :
A. Kompresor
B. Sparger
C. Rotameter
D. Tangki Cairan
E. Pompa
F. Reaktor
G. Inverted manometer daerah riser
H. Inverted manometer daerah
downcomer
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Pengaruh Laju Alir terhadap Hold Up
gas
Gambar 3 Pengaruh Laju Alir terhadap Hold
Up Gas
Dari gambar 3, hubungan laju alir dengan
hold-up gas diatas dapat dilihat bahwa
semakin besar laju alir yang digunakan pada
reaktor, maka hold-up gas yang diperoleh juga
semakin besar. Hal ini karena semakin
bertambahnya laju alir udara maka gelembung
udara yang terdispersi didalam air akan
bertambah sehingga bertambah pula fraksi
volume udara dalam larutan. Bertambahnya
fraksi volume udara akan meningkatkan nilai
hold up gas (Haryani dan Widayat, 2011). Hal
ini juga dapat dilihat dari rumus yang
digunakan untuk menghitung nilai hold up gas
sebagai berikut :
Dari rumus diatas dapat dilihat bahwa nilai
hold up gas dipengaruhi oleh perubahan
ketinggian inverted manometer (Δhr dan Δhd)
yang bekerja berdasarkan perbedaan tinggi
cairan pada reaktor. Perbedaan tinggi tersebut
dihasilkan karena masuknya gas ke dalam
cairan. Dari data percobaan, perbedaan
ketinggian pada area riser lebih besar daripada
area downcomer karena nozzle yang terletak
pada area riser, nozzle tersebut
menghamburkan gelembung udara ke dalam
cairan sehingga ketinggian air meningkat,
ketika sampai permukaan cairan gelembung
tersebut akan terlepas kembali ke udara tanpa
melalui area downcomer, oleh karena itu
perbedaan tinggi dan hold-up riser lebih besar
dari downcomer. Jadi dapat disimpulkan
bahwa, adanya gelembung udara
0
0,002
0,004
0,006
0 2 4 6 8
Ho
ld u
p g
as
Laju alir (cm3/s)
ɛr
ɛd
ɛtotal
mengakibatkan adanya perbedaan tinggi cairan
dalam reaktor dan semakin besar kenaikan
cairan tersebut menyebabkan nilai hold up gas
mengalami kenaikan.
Dari grafik juga dapat dilihat bahwa ε
downcomer lebih kecil dari ε total dan ε riser.
Hal ini disebabkan karena hold up gas
dipengaruhi pleh laju sirkulasi cairan didalam
reaktor. Selain itu, hold up gas juga tergantung
kecepatan kenaikan gelembung, luas
gelembung, dan pola aliran. Dalam reaktor,
gas dan cairan mengalir ke atas pada daerah
riser kemudian bergeser dan turun pada daerah
downcomer. Pada daerah riser mengalami
kontak terlebih dahulu dengan udara dari
sparger sehingga laju sirkulasi aliran dimulai
dari daerah riser dan menyebaban kenaikan
cairan pada manometer bagian riser lebih besar
dibanding daerah downcomer. Oleh karena itu,
ε downcomer lebih kecil dari ε total dan ε
riser.
3.2 Pengaruh Laju Alir terhadap Laju
Sirkulasi
Gambar 4 Pengaruh Laju Alir terhadap Laju
Sirkulasi
Dari percobaan diatas, tampak bahwa laju
sirkulasi (untuk riser dan downcomer)
meningkat sebanding dengan meningkatnya
laju. Berdasarkan grafik, tampak bahwa laju
sirkulasi downcomer lebih tinggi jika
dibandingkan dengan laju sirkulasi riser. Hal
ini disebabkan karena laju sirkulasi berbanding
terbalik dengan luas daerahhnya. Hal ini sesuai
dengan rumus berikut ini :
ULr.Ar = ULd.Ad
dimana :
ULr = laju sirkulasi cairan riser
(m/jam)
ULd = laju sirkulasi cairan
downcomer (m/jam)
Ar = luas bidang zona riser (m2)
Ad = luas bidang zona
downcomer (m2)
Sebelumnya kita telah menghitung laju alir
downcomer dengan menggunakan rumus :
ULd=Lc/tc
Dimana :
ULd = laju sirkulasi cairan
downcomer (m/jam)
Lc = panjang lintasan dalam
Reactor
tc = waktu (jam)
Dari rumus apabila ULd besar, maka nilai
ULr yang dihasilkan juga besar karena ULr
dan ULd berbanding lurus. Nilai ULr lebih
besar dibanding ULd karena pada daerah riser
mengalami kontak terlebih dahulu dengan
udara dari sparger dan mendapatkan dorongan
yang mengakibatkan aliran akan mengarah
keatas yang kemudian bergeser ke arah
downcomer dan mengalir ke bawah. Hal
tersebut menyebabkan laju sirkulasi di riser
lebih besar dibanding daerah downcomer
karena ada dorongan dari udara yang berasal
dari sparger.
Pada reaktor ini, digunakan reaktor air lift
dengan luas permukaan riser lebih besar dari
luas permukaan downcomer. Dengan nilai luas
daerah riser yang lebih besar, maka sebagai
pembagi, akan menghasilkan nilai ULr yang
lebih kecil jika dibandingkan dengan ULd.
3.3 Pengaruh Laju Alir terhadap KLa
Gambar 5 Pengaruh Laju Alir terhadap Kla
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa
semakin tinggi laju alir maka semakin rendah
nilai koefisien transfer massa gas – cair (kLa).
Hal ini disebabkan karena laju alir udara yang
bertambah, konsentrasi oksigen dalam medium
berkurang, yang menyebabkan terjadi
perpindahan massa oksigen menjadi lambat
dan perbedaan konsentrasi oksigen yang kecil.
Akibatnya meskipun laju alir semakin besar
namun oksigen yang masuk ke reaktor berada
dalam jumlah yang relatif kecil, maka
0
10
20
30
40
0 5 10
Laju
sir
kula
si (
cm/s
)
Laju alir(cm3/s)
Uld
Ulr
0
0,1
0,2
0,3
0 2 4 6 8
kLa
(L/s
)
Laju alir (cm3/s)
kLa
persediaan O2 untuk bereaksi dengan Na2SO3
makin kecil (excess).
Reaksi yang terjadi :
Na2SO3 + 0,5 O2 Na2SO4
+Na2SO3(sisa)
Na2SO3(sisa) + KI + KIO3 Na2SO4 +
2KIO2 + I2(sisa)
I2 (sisa) + 2 Na2S2O3 Na2S4O6 + 2NaI
Jumlah gas oksigen yang masuk dihitung
dari jumlah O2 yang bereaksi pada reaksi
diatas dengan rumus :
Mol O2 yang bereaksi = 0,5 ( mol Na2SO3 awal
– mol Na2SO3 sisa)
Mol O2 yang masuk reaktor = mol O2 bereaksi
x BM O2/ t x 60
Na2SO3 (sisa) dapat dihitung dari volume
titran Na2S2O3 yang dibutuhkan menggunakan
reaksi tersebut. Nilai KLa sangat ditentukan
oleh jumlah O2 yang ada didalam reaktor
seperti ditunjukkan oleh persamaan :
KLa =
Dimana adalah kebutuhan O2 dalam air. Dari
persamaan diatas dapat dilihat bahwa semakin
kecil O2 yang ada dalam reaktor maka kLa
juga semakin kecil. Akibatnya laju
perpindahan O2 dalam reaktor semakin kecil
sehingga koefisien perpindahan massa gas-cair
(kLa) juga semakin kecil.
3.4 Pengaruh Waktu Tinggal Larutan
Na2SO3 terhadap KLa
Gambar 6 Pengaruh Waktu Tinggal
Larutan Na2SO3 terhadap Kla
Dari gambar 6, dapat dilihat bahwa
semakin lama waktu kLa semakin
menurun.Reaksi yang terjadi adalah :
Na2SO3 + 0,5 O2 Na2SO4 + Na2SO3(sisa)
Na2SO3(sisa) + KI + KIO3 Na2SO4 +
2KIO2 + I2(sisa)
I2 (sisa) + 2 Na2S2O3 Na2S4O6 + 2NaI
Semakin lama waktu reaksi maka jumlah
Na2SO3 yang bereaksi dengan O2 berkurang
dikarenakan reaktan semakin jenuh oleh gas,
sedangkan kLa sangat ditentukan oleh mol O2
yang masuk reaktan, seperti yang ditunjukkan
persamaan :
KLa =
Dan mol O2 yang masuk reaktan sangat
ditentukan oleh mol O2 bereaksi yang
diperoleh dari persamaan berikut :
Mol O2 yang masuk reaktor = mol O2
bereaksi x BM O2/ t x 60
Semakin lama waktu jumlah O2 yang
bereaksi berkurang karena reaktan semakin
jenuh oleh gas. Hal ini mengakibatkan jumlah
O2 yang bereaksi menurun sehingga mol O2
yang ada dalam reaktor berkurang dan
menyebabkan kLa semakin kecil. Selain itu
pada gambar 4.4 dibandingkan antar variabel
laju alir terlihat bahwa tiap waktu nilai kLa
pada variabel laju alir 4 cm/s lebih besar dari
variabel laju alir 5 cm/s dan 6 cm/s. Laju alir
akan sangat mempengaruhi oksigen yang
terdifusi, dimana semakin tinggi laju alir maka
kLa pun akan semakin kecil.
4.Kesimpulan
Kesimpulan dari percobaan ini adalah
Semakin tinggi laju alir maka semakin tinggi
pula hold up gas. Ulr lebih besar daripada Uld
karena adanya pengaruh dorongan udara dari
sparger. Semakin tinggi laju alir maka semakin
besar pula laju sirkulasinya. Semakin tinggi
laju alir maka semakin tinggi pula koefisien
transfer massanya (KLa). Semakin lama
waktu tinggal maka koefisien transfer
massanya (KLa) akan semakin berkurang.
DAFTAR PUSTAKA
Blenke, H., 1979, Loop Reaktor, Adv.
Biochem. Eng., 13:121-124.
Christi, M.Y and Mooyoung, M., 1988,
Relationship Between Riser and
Downcommer Gas Hold Up in
Internal Loop Air-Lift Reactor with
Gas-Liquid Separators, Chem.
Eng.
Coulson, J.M and Richardson, J.I., 1997,
Chemical Engineering 3rd ed,
Pergamonpress: Oxford.
Haryani, K dan Widayat, 2011, Pengaruh
Viskositas dan Laju Alir Terhadap
Hidrodinamika dan Perpindahan
0100200300400500600
0 20 40
kLa
(L/s
)
Waktu (s)
Laju alir 4cm/s
Laju alir 5cm/s
Laju alir 6cm/s
Massa dalam Proses Produksi
Asam Sitrat dengan Bioreaktor
Air-Lift dan Kapang Aspergilus
Niger, Teknik Kimia Universitas
Diponegoro.
Laboratorium Proses Kimia, 2012,
Hidrodinamika Reaktor, Jurusan
Teknik Kimia Fakultas Teknik
Universitas Diponegoro.
Propovic, M and Robinson, C.W., 1988,
External Circulation Loop Air Lift
Bioreaktors : Study Of The Liquid
Circulating Velocity In Highly
Viscous Non Newtonian Liquids,
Biotechnol. Bioeng., 32:301-312.