BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Reaktor merupakan alat utama pada industri yang digunakan untuk

proses kimia yaitu untuk mengubah bahan baku menjadi produk. 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. Reaktor jenis ini banyak digunakan pada proses industri

kimia dengan reaksi yang sangat lambat, proses produksi yang menggunakan

mikroba (biorektor) dan juga pada unit pengolahan limbah secara biologis

menggunakan lumpur aktif.

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 akan

mempelajari hidrodinamika pada reaktor kolom gelembung dan reaktor air-

lift, terutama berkaitan dengan pengaruh laju alir udara, viskositas dan

densitas terhadap hold up dan laju sirkulasi pada sistem sequencial batch.

B. Tujuan percobaan

Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa mampu menjelaskan mengenai

beberapa hal berikut :

1. Pengaruh Variabel berubah terhadap hold-up gas (ε).

2. Pengaruh Variabel Berubah terhadap laju sirkulasi (VL).

3. Koefisien transfer massa gas-cair (KLa)

BAB II

LANDASAN TEORI

A. Reaktor Kolom Gelembung dan Air-Lift

Reaktor adalah suatu alat tempat terjadinya suatu reaksi kimia untuk

mengubah suatu bahan menjadi bahan lain yang mempunyai nilai ekonomis

lebih tinggi. Rector air lift yang berbentuk kolom dengan sirkulasi aliran

merupakan kolom yang berisi cairan atau slurry yang terbagi menjadi dua

bagian dan pada salah satu dari kedua daerah tersebut selalu disemprotkan

lagi. Perbedaan hold up gas () pada daerah yang dialiri gas maupun tidak

dialiri gas merupakan akibat dari perbedaan viskositas fluida pada kedua

daerah tersebut. Perbedaan itu mengakibatkan terjadinya sirkulasi fluida pada

reaktor. Bagian reaktor yang mengandung cairan dengan aliran ke atas

disebut zona riser dan bagian reaktor yang mengandung aliran fluida turun

adalah zona downcomer. Pada zona downcomer atau riser memungkinkan

terdapat plate penyaringan dan baffle pada dinding. Jadi banyak sekali

kemungkinan bentuk reaktor dengan keuntungan penggunaan dan tujuan yang

berbeda-beda.

Secara teoritis reaktot air lift digunakan untuk beberapa proses kontak gas-

cairan atau slurry. Reaktor ini sering digunakan untuk beberapa fermentasi

aerob, pengolahan limbah, dan operasi-operasi sejenis. Secara umum reaktor

air lift dikelompokkan menjadi dua, yaitu reaktor air lift dengan internal loop

dan eksternal loop (Christi. 1988., William. 2002). Ractor air lift dengan

internal loop merupakan kolom bergelemubung yang dibagi menjadi dua

bagian, riser dan downcomer dengan internal baffle. Reaktor air lift dengan

eksternal loop merupakan kolom bergelembung dimana riser dan downcomer

merupakan dua tabung yang terpisah dan dihubungkan secara horizontal

antara bagian atas dan bawah reaktor. Selain itu reaktor air lift juga

dikelompokkan berdasarkan sparger yang dipakai, yaitu statis dan dinamis.

Pada reaktor air lift dengan sparger dinamis, sparger ditempatkan padariser

dan atau downcomer yang dapat diubah-ubah letaknya.

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 disperse cairan dalam berbagai dareah.

Dalam aplikasi reaktor air lift terdapat dua hal yang mendasari mekanisme

kerja dari reaktor tersebut, yaitu hidrodinamika dan transfer gas-cair.

Hidrodinamika reaktor mempelajari perubahan dinamika cairan dalam reaktor

sebagai akibat laju alir yang masuk reaktor dan karakterisik cairannya.

Hidrodinamika reaktor meliputi hold up gas (rasio volume gas terhadap

volume gas cairan dalam reaktor) dan laju sirkulasi cairan disperse dalam fase

tersebut.

Internal Loop Eksternal Loop

Gambar 2.1 Tipe reaktor air lift

Keuntungan penggunaan reaktor air lift disbanding reaktor konvensional

lainnya, diantaranya:

1. Perancangannya sederhana, tanpa ada bagian yang bergerak.

2. Aliran dan pengadukan mudah dikendalikan.

3. Wakti tinggal dalam reaktor seragam.

4. Kontak area lebig luas dengan energy input yang rendah.

5. Meningkatkan perpindahan massa.

6. Memungkinkan tangki yang besar sehingga meningkatkan produk.

Kelemahan rekator 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)

B. Hidrodinamika Reaktor

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 ().

¿V ε

V ε+V L

....(1)

Dimana = hold up gas

V =volume gas

VL = volume cairan

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 perdamaan :

¿ρL

ρL+ρεx∆hz

....(2)

❑r=ρL

ρL+ρgx∆ hrz

....(3)

❑d=ρL

ρL+ρgx∆hdz

....(4)

Dimana : = hol up gas

r = hold up gas riser

d = hol up gas downcomer

L = densitas cairan (kg/m3)

= densitas gas (kg/m3)

∆ hr = perbedaan tinggi manometer riser

∆ hd = perbedaan tinggi manometer downcomer

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 hol up gas total adalah sebagai berikut:

ε=ho−hiho

....(5)

Dimana = 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 :

ε= Arεr+AdεdAr+Ad ....(6)

Dimana : Ar = luas bidang zona riser (m2)

Ad = luas bidang zona downcomer (m2)

Sirkulasi cairan dalam reaktorair 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) diberikan oleh Blanke, 1979

dengan persamaan 7:

ULd=Lctc

....(7)

Dimana : ULd = laju sirkulasi cairan downcomer (m/jam)

Lc = panjang lintasan dalam reaktor

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 oleh Coulson and Richardson, 1997 :

ULr.Ar = ULd.Ad ....(8)

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)

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 :

VLr= VLr1−ε

....(9)

VLd=VLd1−ε ....(10)

Dimana : VLr = kecepatan intersial cairan riser ( m/jam)

VLd = kecepatan intersial cairan downcomer (m/jam)

C. Perpindahan Massa

Perpindahan massa antar fasa gas-cair terjadi karena adanya beda konsentrasi

antara kedua fasa. Perpindahan massa yang terjadi yaitu oksigen dari fase gas

ke fase cair. Kecepatan perpindahan massa ini dapat ditentukan dengan

koefisien perpindahan massa.

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 system dan

dinamika fluida. Terdapat dua istilah tentang koefisien transfer massa

volumetric, yaitu:

1. Koefisien transfer massa kL, dimana tergantung pada sifat fisik dan

cairan dari dinamika fluida yang dekat dengan permukaan cairan.

2. Luas dari gelembung per unit volum dari reaktor

Ketergantungan kL pada energy masuk adalah kecil, dimana luas kontak

adalah fungsi dari sifat fisik desain geometrid an hidrodinamika.

Luas kontak adalah parameter gelembung dan tidak bias ditetapkan. Di sisi

lain koefisien transfer massa pada kenyataannya merupakan faktor yang

proposional antara fluks massa dan substrat (atau bahan kimia yang

ditransfer), Ns, dan gradient ynag mempengaruhi fenomena beda konsentrasi.

Hal ini dapat dirumuskan dengan persamaan 11:

N = kL (C1-C2) ....(11)

Dimana : N = fluks massa

kLa = koefisien transfer massa gas-cair

C1 = konsentrasi O2 masuk (mol/L)

C2 = konsentasi O2 keluar (mol/L)

Untuk perpindahan massa oksigen ke dalam cairan dapat dirumuskan sebagai

kinetika proses, seperti di dalam persamaan10 :

dcdt

=kLa(C1−C) ....(12)

Dimana: C = konsentrasi udara (gr/L)

Koefisien perpindahan massa dinyatakan sebagai bilangan Sherwood

mengikuti persamaan 13:

Nsh=12C4π−0,5 1,070,5Sc1 /2Reg3/4 Fr7/60Bo3/3 ....(13)

Dimana : Nsh = bilangan Sherwood

Sc = bilangan schmid

Reg = bilangan Reynold

Fr = bilangan Frandh

Bo = bilangan Bodenstein

Propovic dan Robinson (1989) memperoleh hubungan kLa setelah melakukan

penelitian dalam bioreaktor air lift dengan eksernal loop dengan larutan CMC

(Carboxyl Methyl Cellulosa) seperti disajikan dalam persamaan 14:

kLa=1,911 x10−4( jg)0,525(1+ AdAr

)0,553

μapp−0,89 ....(14)

Dimana : Jg = laju alir udara atau kecepatan superficial gas (m/jam)

μ = viskosotas

Koefisien perpindahan gas-cair merupakan fungsi ddari laju alir udara atau

kecepatan superficial gas, viskositas, dan luas area riser dan

downcomer/geometric alat.

Pengukuran konstanta perpindahan massa gas-cair dapat dlakukan dengan

metode sebagai berikut:

1. Metode OTR-Cd

Dasar dari metode ini adalah persamaan perpindahan massa

(persamaan 12) semua variable kecuali koA dapat terukur. Ini berarti

bahwa dapat digunakan dalam system kebutuhan oksigen, konsentrasi

oksigen, konsentrasi oksigen dari fase gas yang masuk dan meninggalkan

bioreaktor dapat dianalisa. Dengan data ini OTR (oxygen transfer rate)

dapat dihitung dengan neraca bioreaktor:

Vi OTR = Fg (Cogi – Cogo) = Vi koi A[C 0goπ

−Coi ] (mol s-1) ....(15)

Dimana : OTR = laju perpindahan oksigen (mol/m3s)

Vi = koefisien transfer massa

Fg = laju alir volumetric fluida gas (m3/s)

koi = konstanta transfer massa oksigen

A = luas perpindahan massa (m2)

Coi = konsentrasi oksigen masuk (mol/m3)

Cogo = konsentrasi oksigen udara keluar (mol/m3)

2. Metode Dinamik

Metode ini berdasarkan pengukuran Coi dari cairan, deoksigenasi

sebagai fungsi waktu, setelah aliran udara masuk.Deoksigenasi dapat

diperoleh dengan mengalirkan oksogen melaluibcairan atau menghentikan

aliran udara, dalam hal ini kebutuhan oksigen dalam fermentasi. Hal ini

dapat dilihat dari neraca massa dibawah ini:

Coi(t )dt

=koi A (C ¿oi−C ¿oi (t ) )−OUR(molm−3 s−1) ....(16)

Dimana: C*oi = konsentrasi oksigen sisa fungsi t

koi =konstanta transfer massa oksigen

OUR = laju perpindahan oksigen (mol/m3s)

t = waktu (jam)

Dengan asumsi bahwa koi A dan Coi konstan, tidak terpengaruh waktu.

Hal ini juga berlaku :

Coi (∞ ¿ = konsentrasi keseimbangan pada kondisi tetap.

OUR = koi A (Coi –Coi (∞ ¿¿(mol m−3 s−1) ....(17)

Persamaan 16 dan 17 dapat dikombinasikan menjadi persamaan18.

koiA=

ln [Coi (∞ )−Coi (t 1 )Coi (∞ )−Coi (t 2 ) ]

t 2−t1(s−1)

....(18)

Dimana : t1 = waktu

t2 = waktu

Persamaan ini dapat diaplikasikan dalam model system tanpa konsumsi

oksogen dimana

Coi (∞ ¿= Coi (OUR=0) sama baiknya dengan konsumsi oksogen pada

fermentasi.

3. Metode Serapan Kimia

Metode ini berdasarkan reaksi kimia dari absorpsi gas (O2, CO2)

dengan penambahan bahan kimia pada fase cair (Na2SO3, KOH). Reaksi

ini sering digunakan pada reaksi bagian dimana konsentrasi bulk cairan

dalam komponen gas sama dengan nol dan absorpsi dapat mempertinggi

perpindahan kimia.

4. Metode Kimia OTR-Coi

Metode ini pada dasarnya sama dengan metode OTR-Cd. Namun,

seperti diketahui beberapa sulfit secara terus-menerus ditambahkan pada

cairan selama kondisi reaksi tetap dijaga pada daerah dimana nilai Coi

dapat dideteksi. Coi dapat diukur dikalkulasi dari penambahan sulfit. Juga

reaksi konsumsi oksigen yang lain dapat digunakan.

5. 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 =

[C∗−q ]−1PO 2– 13<atm /mmolL .60 . t5

Dengan PO2 = tekanan parsial oksigen

Kelarutan O2 = C* . q = PO2

H

= 1atmO2 gmolO2/moludara

O2atmmmol

.1molO2/32 gr

= C*q

kLa = q

C∗q−¿=

Cq4 . s

C0 4−ql

= E s-1

= (−d CO2

dt )=12d (Na2SO3)

dt=kal(g .Cl)

BAB III

PELAKSANAANPERCOBAAN

A. Bahan dan Alat yang Digunakanan

1. Bahan yang digunakan

a. Na2S2O3.5H2O 0,05 N

b. KI 0,1 N

c. Na2SO3 0,2 N

d. Larutan amylum

e. Zat Warna

f. Aquadest

2. Alat yang digunakan

a. Statif dan klem

b. Beaker glass

c. Buret

d. Kompresor

e. Pipet tetes

f. Gelas ukur

g. Sendok reagen

h. Gelas arloji

i. Rotameter

j. Inverted manometer

k. Erlenmeyer

l. Sparger

m. Tangki cairan

n. Reaktor

o. Picnometer

B. Gambar Alat

Gambar 3.1 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

C. Variabel Operasi

a. Variabel tetap

….

b. Variabel berubah

……

D. Respon Uji Hasil

1. Tinggi riser dan down comer

2. Volume titran Na2S2O3.5H2O

3. Densitas cairan

4. Kecepatan Sirkulasi

E. Prosedur percobaan

1. Menetukan hold-up pada riser dan downcomer

a. Merangkai alat

Menghubungkan reaktor dengan kompresor melalui

venturimeter dan manometer yang telah berisi air raksa seperti

yang digunakan pada saat kalibras laju alir udara. Memasang

inverted manometer pada riser dan downcomer yang

dihubungkan dengan perbedaan tinggi bagian bawah dan atas

dari inverted manometer.

b. Mengisi reaktor dengan cairan

c. Melihat ketinggian inverted manometer

d. Menghidupkan kompresor kemudian menambahkan Na2SO3

e. menghitung besarnya hold-up

2. Menentukan konstanta perpindahan massa cair-gas

a. mengambil sampel sebanyak 10 mL

b. menambah KI sebanyak 5 mL ke dalam sampel

c. menitrasi dengan Na2S2O3.5H2O sampai terjadi perubahan warna

dari coklat tua menjadi kuning jernih

d. menambahkan 3 tetes amilum

e. menitrasi sampel kembali dengan larutan Na2S2O3.5H2O

f. TAT didapat setelah warna biru hampir hilang

g. mencatat kebutuhan titran

h. ulangi sampai volume titran tiap 5 menit konstan

i. hitung densitas setelah 3 akali konstan

3. Menentukan kecepatan sirkulasi

a. merangkai alat yang digunakan

b. mengisi reaktor dengan air dan Na2SO3

c. menghidupkan kompresor

d. memasukkan zat warna pada reaktor downcomer

e. mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cairan dengan indikator

zat warna tertentu untuk mencapai lintasan yang telah digunakan

f. Menghitung besarnya kecepatan sirkulasi

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

Laporkan hasil percobaan Anda (bisa dalam bentuk grafik atau tabel) dan bahas

dengan bantuan pustaka untuk menajamkan pembahasan Anda, yaitu:

1. Profil konsentrasi CO32- dan jumlah CO2 yang terserap sebagai fungsi

waktu, pengaruh variabel yang dikaji terhadap waktu untuk mencapai

keadaan steady.

2. Profil nilai kla terhadap variabel yang dikaji

3. Profil nilai kGa terhadap variabel yang dikaji

4. profil nilai k2 terhadap variabel yang dikaji

5. Pembandingan antara nilai kga teroritik dan empirik

DAFTAR PUSTAKA

Christi, M.Y. 1989. “Air Lift Bioreactor”. El Sevier Applied Science, London.

Christi, M.Y., and Mooyoung, M. 1988. “Prediction of Liquid Circulation Velocity in Air-Lift

Reactor with Biological Media”. J. Chem. Technol Biotechnol.

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.

Wilson, J.M., and Richardson, J.F. 1997. “Chemical Engineering”. 3rd ed. Pergamon Press :

Oxford.

Ground, G.A., Schumple, and W.D. Decker. 1992. “Gas-Liquid Mass Transfer in Bubble

Column with Organic Liquids”. Chemical Engineering Science page 3509-3516.

Pergamon Press Ltd.

Martinov, M., And S.D. Vlaev. 2002. “Increasing Gas-Liquid Mass Transfer Instirred Power

Law Fluids by Using a New Energy Saving Impeller”. Chemical Biochemical

Engineering.

Merchuk, U.C., and S. Ben Zui (yona). 1992. “ A Novel Approach to the Corelation of Mass

Transfer Rates in Bubble Column with Non Newtonian Liquids. Chemical Engineering

Science page 3517-3523. Pergamon Press Ltd.

Daftar pustaka bisa bertambah , disesuaikan dengan kebutuhan, terutama pustaka-pustaka yang

mendukung ketika Anda membahas hasil percobaan.