REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2....

129
REKAYASA PROSES LISANI,S.TP,MP Dosen Teknologi Industri Pertanian Teknologi Pertanian Universitas jambi

Transcript of REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2....

Page 1: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

REKAYASA PROSES

LISANI,S.TP,MP

Dosen Teknologi Industri

Pertanian

Teknologi Pertanian

Universitas jambi

Page 2: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

REAKTOR PEMROSES

Page 3: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Fungsi Reaktor Pemroses

Kegiatan proses :

1. Katalis

2. Kondisi lingkungan

Lingkungan optimal → proses optimal →

Wahana proses → Reaktor

Fungsi reaktor → memberikan lingkungan fisik sehingga

katalis dapat melakukan interaksi dengan lingkungan

dan bahan pereaksi yang dimasukkan kedalamnya.

Reaktor dapat berupa bejana sederhana yang dilengkapi

dengan berbagai alat pengendalian dengan sistem

komputer.

Page 4: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Yang harus diperhatikan dalam perancangan reaktor :

1. Bejana atau bentukan lain harus mampu

dioperasikan dalam waktu beberapa hari atau

berlangsung untuk waktu yang lama.

2. Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sehingga

dapat mencukupi kebutuhan proses. Untuk operasi

bioproses, pencampuran ini tidak boleh

mengganggu atau merusak sel (katalis).

3. Konsumsi energi untuk pengoperasian

reaktor harus dapat dibuat seminimal

mungkin.

4. Suatu sistem yang dapat mengendalikan

suhu dan pH harus merupakan bagian

dari perlengkapan reaktor.

Page 5: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

5. Reaktor harus dilengkapi

juga dengan fasilitas

pengambilan contoh.

6. Proses evaporasi yang

terjadi perlu diupayakan

agar tidak berlebihan.

7. Bejana perlu dirancang

agar dapat dioperasikan

dengan jumlah kerja

minimal baik untuk

pengoperasian,

pemanenan produk,

pembersihan, dan

pemeliharaan.

Page 6: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

8. Bejana atau bentukan

lain harus sesuai dengan

berbagai jenis proses.

9. Bejana harus dikonstruksi

sedemikian rupa sehingga

permukaan bagian

dalamnya halus.

10.Untuk memudahkan

penggandaan skala,

reaktor harus mempunyai

bentuk geometri serupa

antara yang berukuran

kecil dengan yang besar.

Page 7: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Skema sederhana reaktor tangki ideal beserta perlengkapannya

Page 8: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Faktor Produksi

Berbagai faktor produksi yang harus

dipertimbangkan dalam pemilihan reaktor :

1. Biaya dan penyediaan bahan baku dan katalis

2. Fasilitas perdagangan untuk produk dan bahan mentah

3. Ketersediaan dan mutu tenaga kerja

4. Keadaan pasar (penjualan stabil, pabrik tunggal,

penjualan berubah, pabrik fleksibel)

5. Biaya dan ketersediaan utilitas (listrik, uap, air)

6. Aturan kerja dan keselamatan

7. Undang-undang tentang pembatasan polusi lingkungan

8. Kemungkinan penggunaan secara ekonomis hasil samping

produk.

Page 9: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sistem ideal :

Pada semua sistem terjadi pencampuran pereaksi dan

katalis secara sempurna dan seragam sehingga keadaan

reaksi dan taraf katalis merupakan suatu sistem yang

homogen.

Pemilahan Reaktor Pemroses

1. Jenis sistem reaktor :

a. Curah (batch) :

Pembentukan produk sejalan dengan

waktu (t). Pada reaksi isotermal laju

pembentukan produk merupakan fungsi dari

konsentrasi, digunakan pada proses

adiabatis.

Page 10: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

b. Sinambung (continuous) :

1) Reaktor sinambung berupa

tangki teraduk (CSTR,

continuous stirred tank reactor)

→ reaktor tangki ideal (RTI)

2) Reaktor aliran sumbat (CPFR,

continuous plug flow reactor)

→ reaktor pipa ideal (RPI).

c. Semi sinambung atau curah

terumpani (fed-batch)

Umumnya digunakan untuk reaksi

gas dan cair, untuk mengendalikan

reaksi eksotermal yang sangat

tinggi dan untuk meningkatkan

perolehan reaksi

Page 11: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Rancangan dasar reaktor (a) curah (batch), (b) RPI, (c) RTI, (d) RTI-seri, (e) fed-batch, (f)

RPI-paralel, (g) RTI-paralel

Page 12: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

2. Jenis fasa yang terlibat :

a. Reaktor homogen : terlibat satu fasa, umumnya gas

atau cair

b. Reaktor heterogen : melibatkan lebih dari satu fasa

bahan.

Contoh : gas-cair, gas-padatan,

cair-padatan dan

cair-padatan-gas.

Pemilahan lebih rinci reaktor yang didasarkan atas

homogen dan heterogen dibedakan sebagai berikut :

1) Fasa cair homogen hanya terdapat cairan yang larut

2) Fasa cair heterogen , melibatkan dua atau lebih cair

yang saling tak melarutkan

Page 13: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

3) Reaksi curah dengan pereaksi berupa fasa gas

4) Reaksi antara cairan dengan padatan

5) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa

padatan

6) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa gas

7) Reaksi fasa gas homogen

8) Reaksi katalitik fasa gas heterogen

9) Reaksi non - katalik fasa gas heterogen

3. Susunan reaktor yang digunakan:

a. Reaktor seri

b. Reaktor sejajar (paralel)

Page 14: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Pengaruh panas reaksi yang terjadi :

a. Reaktor adiabatis :

Tidak ada panas yang ditambahkan atau terambil selama

berlangsung reaksi.

Digunakan pada reaksi-reaksi endotermis dan umumnya

dirancang pada sistem yang sederhana.

Reaktor adibatis

Page 15: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

b. Reaktor isotermal (swakalor) :

Panas yang ditambahkan dan terambil cukup untuk

mempertahankan suhu agar terjaga konstan sepanjang proses.

Digunakan untuk reaksi pada suhu tinggi dan menghasilkan

produk bersuhu tinggi.

Jenis-jenis reaktor swakalor

(isothermal)

Page 16: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

c. Reaktor dengan penukar panas :

Penambahan atau pengambilan panas selama reaksi, dan

suhu tak terjaga konstan.

Digunakan untuk reaksi yang non adiabatis.

Jenis-jenis reaktor dengan penukar panas (HE, heat exchanger)

Page 17: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Perilaku Kinetika reaktor ideal dan pengaruh pencampuran pada reaksi

orde pertama dan orde kedua.(a) reaktor curah; (b) reaktor pipa ideal

(RPI);(c) reaktor tangki ideal (RTI)

Page 18: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Tabel 1. Pengaruh pencampuran terhadap kinetika reaksi sederhana

CAo : konsentrasi pereaksi A awal

CBo : konsentrasi pereaksi B awal

Page 19: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Persamaan dalam Tabel 1 dapat digunakan untuk

menetapkan perolehan produk yang diinginkan (R):

1. Tentukan distribusi produk dalam reaktor curah pada

skala laboratorium atau pilot plant.

2. Gunakan persamaan yang tepat dari Tabel 1 dan susun

neraca bahan untuk menghitung tetapan laju reaksi, k

dari data curah.

3. Gunakan nilai k dan persamaan yang digunakan pada

langkah 2 untuk menghitung perolehan R pada nisbah

molar lain, dan hubungan nilai R terhadap nisbah umpan

(CBo/CAo) yang akan menghasilkan kurva reaktor pipa

ideal.

4. Hitung nilai perolehan R, dan gambarkan terhadap

nisbah umpan. Ini menghasilkan kurva untuk reaktor

pencampuran balik.

Page 20: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Kurva hubungan distribusi produk sebagai fungsi dari jenis reaktor

(Pipa ideal, RPI dan tangki ideal, RTI)

Page 21: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Pemilihan Reaktor

Proses skala besar → reaktor sinambung,

mempunyai kapasitas lebih besar

Proses dengan volume lebih kecil,

tahapan operasi yang kompleks, dan

waktu penanganan sangat lama → reaktor curah.

Proses sinambung → reaktor pipa → koil panjang, ikatan

pipa -pipa sejajar, tangki atau bejana teraduk, menara

kosong, berkemas atau berbaffle unggun, atau

mempunyai baffle.

Reaksi fasa tunggal dengan waktu lama → kumparan (coil)

tunggal → memberikan kecepatan tinggi dan sedikit

pencampuran balik.

Page 22: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Reaktor Katalitik

Digunakan industri kimia organik dan

bioindustri (biokatalis: enzim) → tipe

unggun tetap atau diam.

Partikel katalis berada dalam keadaan terimobilisasi dalam

bentuk unggun dan gas/cairan pereaksi mengalir melalui

unggun katalis tersebut.

Unggun katalis imobil dapat dipilah untuk jenis pipa dan

tangki. Dua kelemahan reaktor dengan pencampuran (RTI)

adalah :

1. Untuk tingkat konversi tertentu, jumlah katalis dan

ukuran reaktor yang diperlukan lebih besar ketimbang

reaktor pipa ideal (RPI).

2. Hasil akhir produk yang diinginkan tidak sebesar bila

menggunakan reaktor pipa ideal (RPI).

Page 23: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Pada reaktor katalitik dengan tipe

unggun-tetap umumnya lebih banyak

digunakan sistem pipa. Kelemahannya :

1. Sangat sulit untuk diopersikan pada proses dengan

perpindahan panas dari atau ke dalam unggun katalis

dengan kecepatan yang khusus untuk mencegah

perbedaan suhu dalam unggun atau pelet katalis.

2. Bila laju difusi melalui pori-pori pelet katalis rendah

dibandingkan laju reaksi, maka tidak mungkin untuk

menggunakan luasan katalis.

3. Pada regenerasi katalis secara berkala, biaya

regenerasi akan sangat mahal selama reaktor bekerja.

Page 24: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Contoh soal 1.

Dalam reaksi : A + B → R + S adalah reaksi fasa gas terjadi

dengan katalis suatu padatan, dengan persamaan laju :

r = k1PAPB

1 + k2 PA + k3 PR

Bila reaksi tersebut di atas dilakukan dalam suatu reaktor

unggun pipa tetap, dan beroperasi secara isotermal, pada

suhu 540 oC, berapa katalis yang diperukan untuk tingkat

konversi 95 %, dengan menggunakan nisbah umpan dan tak

ada daur ulang. Laju produksi adalah 1000 R per jam.

Reaktor bekerja pada tekanan 2 atm dan penurunan

tekanan diabaikan.

Page 25: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Penyelesaian :

Masalah seperti tersebut diatas, dipecahkan dengan tata

cara sebagai berikut :

1. Tentukan nilai-nilai tetapan laju reaksi k1, k2,k3 pada

suhu reaksi

2. Tentukan PA dan PB untuk berbagai nilai x (konversi)

dari 0-0.95, dengan menggunakan neraca bahan.

3. Hitung nilai nilai reaksi pada setiap harga x

4. Hubungkan 1/r terhadap x

5. Tentukan luasan daerah dibawah kurva 1/r vs x dari x=0

sampai dengan x=0.95 (tingkat konversi)

6. Daerah ini adalah merupakan nilai W/F yang diinginkan,

dengan F adalah laju umpan dan W adalah bobot katalis

yang diinginkan untuk konversi 95 %. Karena F diketahui

maka harga W dapat dihitung.

Page 26: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bahan Konstruksi untuk Reaktor

1. Logam atau campuran :

Mild steel, Low alloys steel, Cast iron,

Stainless steel, Ni, Monel, Cu, Brass, Al,

Dural, Pb, Ti

2. Plastik :

Termoplastik (PVC,PE),

termosetting (poliester, epoxy-resin)

3. Karet :

Karet alami atau sintetik (hipalon, viton)

4. Keramik :

Kaca porselin, bata tahan asam, bata

dan semen refaktori

Page 27: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sifat mekanik yang penting untuk bahan reaktor

meliputi :

1. Strength - tensile strength (daya tarik)

2. Stiffness - Modulus elastis (elastisitas)

3. Toughness

4. Hardness (kekerasan)

5. Pengaruh suhu (tinggi/rendah)

6. Ketahanan terhadap keausan

7. Persyaratan khusus : konduktivitas termal, ketahanan

elektris, sifat magnetik

8. Mudah pengerjaannya : pembentukan, penyambungan,

casting

9. Tersedia dalam jenis baku : lembaran, penghubung/

sambungan, tabung.

10. Biaya sebanding dengan tingkat penggunaan.

Page 28: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sifat mekanik penting logam dan campuran

Tensil

Strength

(N/mm2)

0,1% Stress

Proof

(N/mm2)

Modulus

Elastisitas

(KN/mm2)

Hardness

Brincill

Bobot

Jenis

Mild steel

Low alloys steel

Cast iron

Stainless steel

Ni

Monel

Cu

Brass

Al

Dural

Pb

Ti

430

430-660

140-170

7540

500

650

200

400-600

80-150

400

30

500

220

230-460

200

130

170

60

130

150

350

210

210

140

210

170

110

115

70

70

15

110

100-200

130-200

150-250

160

80-150

120-250

30-100

100-200

30

100

5

150

7,9

7,9

7,2

8,0

8,9

8,8

8,9

8,6

2,7

2,7

11,3

4,5

Page 29: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sifat umum untuk pengerjaan logam dan campuran ( Alloys )

Machining Kerja

panas

Kerja

dingin

Casting Penyam-

bungan

Suhu

(º C )

Mild steel

Low alloys steel

Cast iron

Stainless steel

Ni

Cu

Brass

Al

Dural

Pb

Ti

B

B

B

B

B

S

B

B

B

-

B

B

B

T

B

B

B

S

B

B

B

B

B

S

T

B

B

B

B

B

B

-

T

S

S

B

S

B

B

B

S

-

-

T

B

B

S/T

B

B

S

B

B

B

B

S

750

750

-

1050

1150

800

700

550

350

-

-

Keterangan B : Baik, S : Cukup baik, T : Tidak baik

Page 30: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Dalam pemilihan bahan untuk pengerjaan reaktor, faktor

biaya perlu diperhatikan.

Secara nisbi (relatif) nilai biaya berbagai jenis logam dan

paduan adalah sebagai berikut :

Carbon steel 1

Al-alloys (Mg) 4

Stainless steel 5

Incomel 12

Brass 10-15

Al 18

Monel 19

Cu 27

Ni 35

Page 31: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Peningkatan Skala (Scale-up) Reaktor

Peningkatan skala : perancangan dan penyusunan sistem

yang lebih besar (prototipe)

berdasarkan hasil percobaan dengan menggunakan

model yang berukuran lebih kecil.

Tiga fenomena penting :

1. Fenomena termodinamik

(tidak tergantung pada skala)

2. Fenomena kinetika mikro (tidak tergantung

pada skala)

3. Fenomena perpindahan (tergantung pada

skala).

Page 32: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Proses perpindahan dalam reaktor terjadi menurut dua

mekanisme perpindahan :

1. Pengaliran (konveksi)

2. Difusi (konduksi)

Fenomena yang berkaitan erat

dengan pengaliran dan difusi :

1. Gaya geser (shear)

2. Pencampuran

3. Perpindahan massa (Kla)

4. Perpindahan panas

5. Kinetika makro (suatu bentuk kinetika nyata dari

perpaduan kinetika mikro dan difusi, misalnya dalam

sistem imobilisasi )

Page 33: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Perancangan Bioreaktor

Kekompleksan bioreaktor dibanding reaktor

kimiawi terjadi karena sifat dan ciri mikroba,

seperti pertumbuhan, penyesuaian, peluruhan, dan

kepekaan terhadap gaya geser.

Secara teori perancangan suatu bioreaktor dapat

dilakukan dengan tahapan :

1. Perilaku galur terpilih (kinetika pertumbuhan dan

pembentukan produk) ditetapkan pada beragam

keadaan lingkungan antara lain konsentrasi unsur hara,

oksigen, dan gaya geser.

2. Berdasarkan hasil itu dipilih kondisi optimal untuk

pertumbuhan dan pembentukan produk.

3. Kinetika dimasukkan ke dalam neraca massa.

Page 34: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Namun tidak selalu tatacara tersebut berhasil dengan

mulus, karena :

1. Untuk menetapkan kinetika secara rinci diperlukan

percobaan cukup banyak dan berulang-ulang (ekstensif)

2. Pemecahan persamaan neraca-mikro untuk "semua

kasus" pada kondisi alir dan geometrik sederhana dalam

praktik adalah tidak mungkin.

3. Kondisi lingkungan optimal acapkali

merupakan nilai peubah operasional yang

saling bergantungan (sebagai contoh adanya

gaya geser menyebabkan nilai P/V tinggi untuk

perpindahan massa, sebaliknya rendah untuk sel

mikroba)

Page 35: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Skala

Penuh

Reaktor skala penuh

(yang ada/ rancangan

awal)

Penerapan

pada skala

penuh

Skala

Kecil

Simulasi pada skala kecil

Kondisi lingkungan

Pemilihan galur

optimasi kondisi

lingkungan

Tata cara pengecilan skala (Kossen dan Oosterhius, 1985)

Teknik lain dalam perancangan bioreaktor → teknik

pengecilan ukuran (scale-down) berdasarkan pendekatan

lingkungan.

Page 36: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Metoda untuk meningkatkan skala reaktor, yaitu :

1. Metoda dasar (pemecahan neraca mikro untuk

perpindahan momentum, massa, dan panas)

2. Metoda semi-dasar (pemecahan neraca

disederhanakan)

3. Analisis dimensional (termasuk analisis regime)

4. Kaidah ibu jari (rules of thumb)

5. Coba-coba (trial and error)

Page 37: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

1. Metoda Dasar

Metoda dasar digunakan untuk sistem yang

paling sederhana. Sifat :

1) Kondisi aliran jelas (misal aliran

laminar)

2) Tidak ada aliran (contoh difusi nutrien pada

pelapisan mikroba yang diam).

Dalam metoda dasar, neraca mikro digunakan untuk

perpindahan momentum, massa, dan panas.

Jika neraca mikro digunakan dalam perancangan

reaktor, maka terdapat sejumlah kesulitan :

1) Bila neraca diterapkan untuk bejana

berpengaduk, maka harus menggunakan komponen

perpindahan dalam tiga arah dengan kondisi-

kondisi batas (boundary) yang sangat kompleks.

Page 38: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

2) Neraca bersifat ganda. Artinya pemecahan neraca

momentum menghasilkan komponen alir yang

harus digunakan dalam neraca massa dan panas

3) Neraca momentum umumnya digunakan untuk zat

alir serba sama (homogen) yang sangat tidak

realistik untuk cairan fermentasi aerob.

Penerapan penting neraca mikro adalah pada sistem

imobilisasi mikroba. Bila perilaku lapisan tipis

diketahui, maka peningkatan ketebalan lapisan dapat

diperkirakan.

Page 39: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

2. Metoda Semi-Dasar

Metoda ini didasarkan pada penggunaan persamaan

aliran yang disederhanakan. Tiga model aliran yang

banyak digunakan adalah :

1) Aliran piston (plug flow)

2) Aliran piston dengan dispersi

3) Aliran tercampur baik: satu tangki atau rangkaian

beberapa tangki.

Page 40: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

3. Analisis Dimensional (AD)

Metoda analisis dimensional merupakan teknik yang

menggunakan bilangan nirmatra (tidak berdimensi) sebagai

parameter dalam perancangan reaktor.

Beberapa pembatasan metoda analisis dimensional :

1) Kadang-kadang tidak mungkin mempertahankan semua gugus tidak

berdimensi tetap selama peningkatan skala, sehingga suatu gugus

menentukan gugus yang paling penting dan mengabaikan yang lain

(analisis regim).

2) Penerapan AD kadang-kadang membawa keadaan yang secara

teknik tidak realistik (antara lain penggunaan tenaga dan

kecepatan pengaduk sangat tinggi)

3) Beberapa sistem bersifat otonom. Misalnya ukuran gelembung

dalam sistem koalesensi adalah tak bergayut terhadap ukuran dan

kondisi proses sehingga tidak sesuai dengan prinsip dasar AD

(kesamaan geometrik).

4) Pemilihan parameter dalam AD tidak selalu dapat dilakukan.

Page 41: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bila pada keadaan awal neraca momentum, massa, panas,

dan batas (boundary) nya ditulis dalam bentuk nirmatra

(tidak berdimensi), maka sejumlah bilangan nirmatra

akan muncul dengan sendirinya.

Dipilah menurut kelompok :

1) Parameter geometri (D, H, dp)

2) Sifat zat alir/padatan/gas (, , )

3) Peubah proses ( N, P,v)

4) Tetapan bermatra (g, R)

Page 42: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor

Page 43: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)

Page 44: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)

Page 45: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)

Catatan :

a) menunjukkan bahwa D atau berkaitan dengan fasa terdispersi

b) untuk bejana berpengaduk

Page 46: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Kaidah Ibu Jari

Einsele (1978) menemukan sejumlah kaidah peningkatan

skala yang digunakan oleh beberapa industri fermentasi

di Eropa yang merupakan penerapan dari kaidah ibu jari

(Tabel 2).

Patokan itu berhubungan dan mengacu pada

perpindahan oksigen (po2 adalah fungsi dari Kla yang

merupakan fungsi dari P/V ).

Tabel 2. Penggunaan patokan peningkatan skala dalam industri

fermentasi

Persentase Industri

Yang menggunakan

Patokan Peningkatan Skala

Yang Digunakan

30

30

20

20

tetapan P/V

tetapan Kla

tetapan Vip

tetapan Po2

Page 47: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

5. Coba-coba (trial and error )

Coba-coba pada perkembangan

kebudayaan manusia merupakan

metode untuk meningkatkan

proses.

Saat ini metoda coba-coba masih

banyak digunakan dalam

optimasi proses.

Sebaliknya dalam peningkatan

skala sudah jarang atau bahkan

tidak digunakan lagi.

Page 48: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Suatu pilot-plant yang baik adalah "pabrik yang

diperkecil" bukan "peningkatan percobaan

laboratorium".

Page 49: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Beberapa aspek produksi yang diperlukan dalam

perancangan pabrik skala penuh antara lain :

1. Efek jangka panjang (korosi, akumulasi selama

pendaurulangan, dan lain-lain) dari bahan reaktor

yang digunakan

2. Pengendalian proses

3. Produksi batch

4. Uji untuk pemasaran

5. Demonstrasi proses

Page 50: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Persamaa

n

Neraca

diketahui

Semua

Paramet

er

diketahui

tidak

ya

Penelitian

Untuk parameterAnalisis

dimensional

Pemecahan

analiktik

Pemecaha

n

dengan

komputer

Pecahkan

persamaan

neraca

Penetapan "regim"

Penelitian

Skala kecil

Kaidah peningkatan

Skala tentatif

Penelitian

lanjut

Kaidah peningkatan

Skala tentatif

tidak

ya

ya

tidak

tidak

Masalah peningkatan

Skala

ya

Diagram alir penentuan peningkatan skala reaktor

Page 51: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.
Page 52: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.
Page 53: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.
Page 54: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Contoh Soal 2.

Dalam rangka untuk pendayagunaan hasil pertanian, oleh suatu tim

di lakukan kajian pengembangan proses produksi vanilin dari bahan

baku eugenol (yang terlebih dahulu diekstrak dari minyak Daun

Cengkeh).

Proses yang dipilih : Isomerasi eugenol menjadi iso-eugenol yang

dilakukan dalam suatu bejana, pada suhu 160ºC dengan

penambahan larutan KOH (10%).

Isoeugenol yang terbentuk dioksidasi dengan bantuan suatu

oksidator, yakni Notrobenzena (C6H5N02) dan terbentuk Vanilin

tercampur dalam larutan alkalis.

Penambahan asam khlorida akan mengendapkan Vanilin tersebut

yang selanjutnya dapat dipisahkan.

Tahapan paling kritis dalam pembentukan Vanilin adalah reaksi

oksidasi dari Iso-eugenol menjadi Vanilin. Oleh karenanya tim

pengaji, melakukan percobaan pada tahap reaksi ini lebih rinci.

Page 55: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

OH

OCH3

KOH

CH2CH=CH2

OH

OCH3

CH=CHCH3

C6H5NO2

OH

OCH3

CHO

Reaksi :

Eugenol Isoeugenol Vanilin

Page 56: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

1. Berdasarkan informasi awal tersebut, susunlah suatu diagram alir

yang juga menggambarkan peralatan yang diperlukan (nantinya).

2. Kajian oksidasi isoeugenol menjadi Vanilin, dilakukan secara

curah/batch untuk mengetahui pola atau kinerja reaksi oksidasi

tersebut. Konsentrasi isoeugenol : 15M, konsentrasi Nitrobenzena :

10M. Pemantauan hasil reaksi produksi (Vanilin) diperoleh hasil sbb :

Waktu

( Menit )

Vanilin

( Molar )

0 0

1 3.97

2 5.12

3 5.95

4 6.61

5 7.10

6 7.52

Berdasarkan hasil tersebut, parameter apa yang dapat anda

tentukan untuk perancangan proses lebih lanjut.

Page 57: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

3. Apabila reaksi oksidasi tersebut kemudian akan diterapkan

dalam proses produksi, dan Anda diminta untuk memilih jenis

reaktor yang akan digunakan, mana yang menurut anda paling

ekonomis :

( Proses akan dilakukan secara kontinyu )

- Reaktor Tangki Ideal (RTI)

- Reaktor Pipa Ideal (RPI)

Apabila diinginkan derajat konversi sebesar 80 %, tunjukkan

berapa perbedaan waktu proses/ waktu tinggal kedua reaktor

tersebut.

Page 58: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Pada evaluasi lebih lanjut, akan dipilih reaktor piston sebagai

wahana reaksi pembuatan Vanilin dan untuk itu dilakukan

pengajian tentang kemungkinan skala untuk skala 'pilot plant'

maupun untuk tujuan/skala industri.

Percobaan dilaboratorium dikerjakan pada reaktor dengan

ukuran :

- Diameter (d¡) : 5 cm dan panjang (1) : 50 cm

- Sifat larutan yang terukur antara lain :

densitas (p) : 1000 kg/m³

Kecepatan alir (U) : 160 cm/menit

Viskositas : 20 cp (0.020 N detik/m²)

- Reaktor tersebut mampu bekerja pada perolehan 0.5 kg

produk/ l larutan /menit.

Kini akan dirancang suatu reaktor sama dengan kapasitas 300

kg/jam Apakah reaktor dengan ukuran diameter 5 cm dan

panjang 500 cm layak dan memenuhi persyaratan untuk

bekerja dengan kapasitas yang diinginkan ?

Page 59: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Beberapa hubungan/ rumus antara lain disediakan berikut

(Kalau dipandang perlu Anda boleh menggunakan

rumus/hubungan lain) :

JH=C/(Uld¡) 0.675

(I2/d¡2) C2/(U¡2d¡2) 0.675 = ( I¡/d¡)CI /C(U¡Id¡I)0.675

C2(U¡2/U¡I)0.325=CI(d¡2/d¡I)1.675

JH: faktor perpindahan massa

C: tetapan tak berdimensi.

Hubungan antara C dan panjang pipa

(diameter 5 cm) disajikan pada

gambar berikut

Page 60: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Penyelesaian :

1. Penyusunan diagram alir proses, dari bahan dasar eugenol menjadi

vanilin

2. Reaksi :

isoeugenol + nitrobenzenza vanilin + etilnitrobenzena

A + B P + R

Laju reaksi pembentukan vanilin, rp = dcp = - rA=dCt

dt dt

-rA=kCA.CB

k ditetapkan dengan memplot :

1 ln CAo (CAo-CP) . vs kt.

CAo-CBo CAo(CAo-CP)

CAo : 5M

CBo :10M

Page 61: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

T,

( Menit )

Vanilin

(CP),M

1 In CAo (CAo-CP)

CAo-CBo CAo(CAo-CP)

0 0 0

1 3.97 0.04

2 5.12 0.06

3 5.95 0.08

4 6.61 0.10

5 7.10 0.12

6 7.52 014

1 2 3 4 5 6 7 8

16

14

12

10

8

6

4

2

0

K= 0.023 mol/menit

Cb

o (

CA

o -

Cp

)

X10-2

Page 62: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

QQ

CA.CP

CB.CR

CA0

CB0

3. Pemilihan Reaktor :

a. RTI :

Komponen A.

Q CAo - V rA = Q CA + d ( VCA ) = 0

dt

Dalam keadaan tunak : d ( VCA ) = 0

dt

CAo = 30 M Konversi 80 %

CB0 = 25 M

Cp = 0.80 X 30 = 24 M

Jadi CA= 30-24 = 6M

Banyaknya B yang digunakan

untuk pembentukan P juga 24 M

Jadi CB= 25-24=1M

Disusun neraca Massa

z = V = (CAo -CA)

Q rA

= (CAo - CA )

KCA.CB

= (30 - 6 ) = 173.9 Menit

(0.23) (6) (1)

= 2.9 Jam

Page 63: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

b. RPI :

CAV CAV V

QQ

CAo

CBo

CA, CP

CB, CR

dV

Integrasi menghasilkan :

- kCB . V = In CA/CAo V = 1 In CA/CAo

Q Q -k CB

Z = 1 In 6/30

(-0.023) (1)

Z = 70 Menit = 1.2 jam

Berdasarkan tersebut akan lebih ekonomis dipih reaktor jenis RPI

yang = 2.5 kali lebih cepat.

Lihat Komponen A :

QCAv - rA dV = Q CAv + QdCA

- KCA.CB dV = QdCA

- KCB.dV = dCA

Q CA

Page 64: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Penggandaan skala :

- Ukuran/reaktor laboratorium :

di1 = 5 cm = li1 = 50 cm (0.5m)

" Scale Up " : di2 = 5 cm li2 = 500 cm (5m)

Jadi digandakan : 10 kali

- Kapasitas produksi : 0.5 kg produk/menit

Kapasitas produksi ”Sacle up”:

300 kg produk/jam atau 5 kg/menit

C2 (Ui2/Ui1) 0.325 = C1 (di2/di1) 1.675

di1 = di2 =5cm → C1=C2 (Ui2/Ui1) 0.325

C2 dicari dari kurva untuk I2 = 5M C = 0.335

C1 = 0.335 (10.Ui2/Ui1 ) 0.325 = (0.335)(2.113)=0.708

Berdasakan kurva untuk li = 0.5 C1 = 065-068

Jadi ukuran reaktor yang dirancang kurang/tidak layak.

Page 65: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

TERIMA KASIH

Page 66: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

REAKTOR PEMROSES

Page 67: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Fungsi Reaktor Pemroses

Kegiatan proses :

1. Katalis

2. Kondisi lingkungan

Lingkungan optimal → proses optimal →

Wahana proses → Reaktor

Fungsi reaktor → memberikan lingkungan fisik sehingga

katalis dapat melakukan interaksi dengan lingkungan

dan bahan pereaksi yang dimasukkan kedalamnya.

Reaktor dapat berupa bejana sederhana yang dilengkapi

dengan berbagai alat pengendalian dengan sistem

komputer.

Page 68: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Yang harus diperhatikan dalam perancangan reaktor :

1. Bejana atau bentukan lain harus mampu

dioperasikan dalam waktu beberapa hari atau

berlangsung untuk waktu yang lama.

2. Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sehingga

dapat mencukupi kebutuhan proses. Untuk operasi

bioproses, pencampuran ini tidak boleh

mengganggu atau merusak sel (katalis).

3. Konsumsi energi untuk pengoperasian

reaktor harus dapat dibuat seminimal

mungkin.

4. Suatu sistem yang dapat mengendalikan

suhu dan pH harus merupakan bagian

dari perlengkapan reaktor.

Page 69: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

5. Reaktor harus dilengkapi

juga dengan fasilitas

pengambilan contoh.

6. Proses evaporasi yang

terjadi perlu diupayakan

agar tidak berlebihan.

7. Bejana perlu dirancang

agar dapat dioperasikan

dengan jumlah kerja

minimal baik untuk

pengoperasian,

pemanenan produk,

pembersihan, dan

pemeliharaan.

Page 70: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

8. Bejana atau bentukan

lain harus sesuai dengan

berbagai jenis proses.

9. Bejana harus dikonstruksi

sedemikian rupa sehingga

permukaan bagian

dalamnya halus.

10.Untuk memudahkan

penggandaan skala,

reaktor harus mempunyai

bentuk geometri serupa

antara yang berukuran

kecil dengan yang besar.

Page 71: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Skema sederhana reaktor tangki ideal beserta perlengkapannya

Page 72: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Faktor Produksi

Berbagai faktor produksi yang harus

dipertimbangkan dalam pemilihan reaktor :

1. Biaya dan penyediaan bahan baku dan katalis

2. Fasilitas perdagangan untuk produk dan bahan mentah

3. Ketersediaan dan mutu tenaga kerja

4. Keadaan pasar (penjualan stabil, pabrik tunggal,

penjualan berubah, pabrik fleksibel)

5. Biaya dan ketersediaan utilitas (listrik, uap, air)

6. Aturan kerja dan keselamatan

7. Undang-undang tentang pembatasan polusi lingkungan

8. Kemungkinan penggunaan secara ekonomis hasil samping

produk.

Page 73: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sistem ideal :

Pada semua sistem terjadi pencampuran pereaksi dan

katalis secara sempurna dan seragam sehingga keadaan

reaksi dan taraf katalis merupakan suatu sistem yang

homogen.

Pemilahan Reaktor Pemroses

1. Jenis sistem reaktor :

a. Curah (batch) :

Pembentukan produk sejalan dengan

waktu (t). Pada reaksi isotermal laju

pembentukan produk merupakan fungsi dari

konsentrasi, digunakan pada proses

adiabatis.

Page 74: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

b. Sinambung (continuous) :

1) Reaktor sinambung berupa

tangki teraduk (CSTR,

continuous stirred tank reactor)

→ reaktor tangki ideal (RTI)

2) Reaktor aliran sumbat (CPFR,

continuous plug flow reactor)

→ reaktor pipa ideal (RPI).

c. Semi sinambung atau curah

terumpani (fed-batch)

Umumnya digunakan untuk reaksi

gas dan cair, untuk mengendalikan

reaksi eksotermal yang sangat

tinggi dan untuk meningkatkan

perolehan reaksi

Page 75: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Rancangan dasar reaktor (a) curah (batch), (b) RPI, (c) RTI, (d) RTI-seri, (e) fed-batch, (f)

RPI-paralel, (g) RTI-paralel

Page 76: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

2. Jenis fasa yang terlibat :

a. Reaktor homogen : terlibat satu fasa, umumnya gas

atau cair

b. Reaktor heterogen : melibatkan lebih dari satu fasa

bahan.

Contoh : gas-cair, gas-padatan,

cair-padatan dan

cair-padatan-gas.

Pemilahan lebih rinci reaktor yang didasarkan atas

homogen dan heterogen dibedakan sebagai berikut :

1) Fasa cair homogen hanya terdapat cairan yang larut

2) Fasa cair heterogen , melibatkan dua atau lebih cair

yang saling tak melarutkan

Page 77: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

3) Reaksi curah dengan pereaksi berupa fasa gas

4) Reaksi antara cairan dengan padatan

5) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa

padatan

6) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa gas

7) Reaksi fasa gas homogen

8) Reaksi katalitik fasa gas heterogen

9) Reaksi non - katalik fasa gas heterogen

3. Susunan reaktor yang digunakan:

a. Reaktor seri

b. Reaktor sejajar (paralel)

Page 78: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Pengaruh panas reaksi yang terjadi :

a. Reaktor adiabatis :

Tidak ada panas yang ditambahkan atau terambil selama

berlangsung reaksi.

Digunakan pada reaksi-reaksi endotermis dan umumnya

dirancang pada sistem yang sederhana.

Reaktor adibatis

Page 79: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

b. Reaktor isotermal (swakalor) :

Panas yang ditambahkan dan terambil cukup untuk

mempertahankan suhu agar terjaga konstan sepanjang proses.

Digunakan untuk reaksi pada suhu tinggi dan menghasilkan

produk bersuhu tinggi.

Jenis-jenis reaktor swakalor

(isothermal)

Page 80: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

c. Reaktor dengan penukar panas :

Penambahan atau pengambilan panas selama reaksi, dan

suhu tak terjaga konstan.

Digunakan untuk reaksi yang non adiabatis.

Jenis-jenis reaktor dengan penukar panas (HE, heat exchanger)

Page 81: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Perilaku Kinetika reaktor ideal dan pengaruh pencampuran pada reaksi

orde pertama dan orde kedua.(a) reaktor curah; (b) reaktor pipa ideal

(RPI);(c) reaktor tangki ideal (RTI)

Page 82: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Tabel 1. Pengaruh pencampuran terhadap kinetika reaksi sederhana

CAo : konsentrasi pereaksi A awal

CBo : konsentrasi pereaksi B awal

Page 83: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Persamaan dalam Tabel 1 dapat digunakan untuk

menetapkan perolehan produk yang diinginkan (R):

1. Tentukan distribusi produk dalam reaktor curah pada

skala laboratorium atau pilot plant.

2. Gunakan persamaan yang tepat dari Tabel 1 dan susun

neraca bahan untuk menghitung tetapan laju reaksi, k

dari data curah.

3. Gunakan nilai k dan persamaan yang digunakan pada

langkah 2 untuk menghitung perolehan R pada nisbah

molar lain, dan hubungan nilai R terhadap nisbah umpan

(CBo/CAo) yang akan menghasilkan kurva reaktor pipa

ideal.

4. Hitung nilai perolehan R, dan gambarkan terhadap

nisbah umpan. Ini menghasilkan kurva untuk reaktor

pencampuran balik.

Page 84: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Kurva hubungan distribusi produk sebagai fungsi dari jenis reaktor

(Pipa ideal, RPI dan tangki ideal, RTI)

Page 85: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Pemilihan Reaktor

Proses skala besar → reaktor sinambung,

mempunyai kapasitas lebih besar

Proses dengan volume lebih kecil,

tahapan operasi yang kompleks, dan

waktu penanganan sangat lama → reaktor curah.

Proses sinambung → reaktor pipa → koil panjang, ikatan

pipa -pipa sejajar, tangki atau bejana teraduk, menara

kosong, berkemas atau berbaffle unggun, atau

mempunyai baffle.

Reaksi fasa tunggal dengan waktu lama → kumparan (coil)

tunggal → memberikan kecepatan tinggi dan sedikit

pencampuran balik.

Page 86: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Reaktor Katalitik

Digunakan industri kimia organik dan

bioindustri (biokatalis: enzim) → tipe

unggun tetap atau diam.

Partikel katalis berada dalam keadaan terimobilisasi dalam

bentuk unggun dan gas/cairan pereaksi mengalir melalui

unggun katalis tersebut.

Unggun katalis imobil dapat dipilah untuk jenis pipa dan

tangki. Dua kelemahan reaktor dengan pencampuran (RTI)

adalah :

1. Untuk tingkat konversi tertentu, jumlah katalis dan

ukuran reaktor yang diperlukan lebih besar ketimbang

reaktor pipa ideal (RPI).

2. Hasil akhir produk yang diinginkan tidak sebesar bila

menggunakan reaktor pipa ideal (RPI).

Page 87: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Pada reaktor katalitik dengan tipe

unggun-tetap umumnya lebih banyak

digunakan sistem pipa. Kelemahannya :

1. Sangat sulit untuk diopersikan pada proses dengan

perpindahan panas dari atau ke dalam unggun katalis

dengan kecepatan yang khusus untuk mencegah

perbedaan suhu dalam unggun atau pelet katalis.

2. Bila laju difusi melalui pori-pori pelet katalis rendah

dibandingkan laju reaksi, maka tidak mungkin untuk

menggunakan luasan katalis.

3. Pada regenerasi katalis secara berkala, biaya

regenerasi akan sangat mahal selama reaktor bekerja.

Page 88: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Contoh soal 1.

Dalam reaksi : A + B → R + S adalah reaksi fasa gas terjadi

dengan katalis suatu padatan, dengan persamaan laju :

r = k1PAPB

1 + k2 PA + k3 PR

Bila reaksi tersebut di atas dilakukan dalam suatu reaktor

unggun pipa tetap, dan beroperasi secara isotermal, pada

suhu 540 oC, berapa katalis yang diperukan untuk tingkat

konversi 95 %, dengan menggunakan nisbah umpan dan tak

ada daur ulang. Laju produksi adalah 1000 R per jam.

Reaktor bekerja pada tekanan 2 atm dan penurunan

tekanan diabaikan.

Page 89: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Penyelesaian :

Masalah seperti tersebut diatas, dipecahkan dengan tata

cara sebagai berikut :

1. Tentukan nilai-nilai tetapan laju reaksi k1, k2,k3 pada

suhu reaksi

2. Tentukan PA dan PB untuk berbagai nilai x (konversi)

dari 0-0.95, dengan menggunakan neraca bahan.

3. Hitung nilai nilai reaksi pada setiap harga x

4. Hubungkan 1/r terhadap x

5. Tentukan luasan daerah dibawah kurva 1/r vs x dari x=0

sampai dengan x=0.95 (tingkat konversi)

6. Daerah ini adalah merupakan nilai W/F yang diinginkan,

dengan F adalah laju umpan dan W adalah bobot katalis

yang diinginkan untuk konversi 95 %. Karena F diketahui

maka harga W dapat dihitung.

Page 90: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bahan Konstruksi untuk Reaktor

1. Logam atau campuran :

Mild steel, Low alloys steel, Cast iron,

Stainless steel, Ni, Monel, Cu, Brass, Al,

Dural, Pb, Ti

2. Plastik :

Termoplastik (PVC,PE),

termosetting (poliester, epoxy-resin)

3. Karet :

Karet alami atau sintetik (hipalon, viton)

4. Keramik :

Kaca porselin, bata tahan asam, bata

dan semen refaktori

Page 91: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sifat mekanik yang penting untuk bahan reaktor

meliputi :

1. Strength - tensile strength (daya tarik)

2. Stiffness - Modulus elastis (elastisitas)

3. Toughness

4. Hardness (kekerasan)

5. Pengaruh suhu (tinggi/rendah)

6. Ketahanan terhadap keausan

7. Persyaratan khusus : konduktivitas termal, ketahanan

elektris, sifat magnetik

8. Mudah pengerjaannya : pembentukan, penyambungan,

casting

9. Tersedia dalam jenis baku : lembaran, penghubung/

sambungan, tabung.

10. Biaya sebanding dengan tingkat penggunaan.

Page 92: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sifat mekanik penting logam dan campuran

Tensil

Strength

(N/mm2)

0,1% Stress

Proof

(N/mm2)

Modulus

Elastisitas

(KN/mm2)

Hardness

Brincill

Bobot

Jenis

Mild steel

Low alloys steel

Cast iron

Stainless steel

Ni

Monel

Cu

Brass

Al

Dural

Pb

Ti

430

430-660

140-170

7540

500

650

200

400-600

80-150

400

30

500

220

230-460

200

130

170

60

130

150

350

210

210

140

210

170

110

115

70

70

15

110

100-200

130-200

150-250

160

80-150

120-250

30-100

100-200

30

100

5

150

7,9

7,9

7,2

8,0

8,9

8,8

8,9

8,6

2,7

2,7

11,3

4,5

Page 93: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Sifat umum untuk pengerjaan logam dan campuran ( Alloys )

Machining Kerja

panas

Kerja

dingin

Casting Penyam-

bungan

Suhu

(º C )

Mild steel

Low alloys steel

Cast iron

Stainless steel

Ni

Cu

Brass

Al

Dural

Pb

Ti

B

B

B

B

B

S

B

B

B

-

B

B

B

T

B

B

B

S

B

B

B

B

B

S

T

B

B

B

B

B

B

-

T

S

S

B

S

B

B

B

S

-

-

T

B

B

S/T

B

B

S

B

B

B

B

S

750

750

-

1050

1150

800

700

550

350

-

-

Keterangan B : Baik, S : Cukup baik, T : Tidak baik

Page 94: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Dalam pemilihan bahan untuk pengerjaan reaktor, faktor

biaya perlu diperhatikan.

Secara nisbi (relatif) nilai biaya berbagai jenis logam dan

paduan adalah sebagai berikut :

Carbon steel 1

Al-alloys (Mg) 4

Stainless steel 5

Incomel 12

Brass 10-15

Al 18

Monel 19

Cu 27

Ni 35

Page 95: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Peningkatan Skala (Scale-up) Reaktor

Peningkatan skala : perancangan dan penyusunan sistem

yang lebih besar (prototipe)

berdasarkan hasil percobaan dengan menggunakan

model yang berukuran lebih kecil.

Tiga fenomena penting :

1. Fenomena termodinamik

(tidak tergantung pada skala)

2. Fenomena kinetika mikro (tidak tergantung

pada skala)

3. Fenomena perpindahan (tergantung pada

skala).

Page 96: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Proses perpindahan dalam reaktor terjadi menurut dua

mekanisme perpindahan :

1. Pengaliran (konveksi)

2. Difusi (konduksi)

Fenomena yang berkaitan erat

dengan pengaliran dan difusi :

1. Gaya geser (shear)

2. Pencampuran

3. Perpindahan massa (Kla)

4. Perpindahan panas

5. Kinetika makro (suatu bentuk kinetika nyata dari

perpaduan kinetika mikro dan difusi, misalnya dalam

sistem imobilisasi )

Page 97: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Perancangan Bioreaktor

Kekompleksan bioreaktor dibanding reaktor

kimiawi terjadi karena sifat dan ciri mikroba,

seperti pertumbuhan, penyesuaian, peluruhan, dan

kepekaan terhadap gaya geser.

Secara teori perancangan suatu bioreaktor dapat

dilakukan dengan tahapan :

1. Perilaku galur terpilih (kinetika pertumbuhan dan

pembentukan produk) ditetapkan pada beragam

keadaan lingkungan antara lain konsentrasi unsur hara,

oksigen, dan gaya geser.

2. Berdasarkan hasil itu dipilih kondisi optimal untuk

pertumbuhan dan pembentukan produk.

3. Kinetika dimasukkan ke dalam neraca massa.

Page 98: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Namun tidak selalu tatacara tersebut berhasil dengan

mulus, karena :

1. Untuk menetapkan kinetika secara rinci diperlukan

percobaan cukup banyak dan berulang-ulang (ekstensif)

2. Pemecahan persamaan neraca-mikro untuk "semua

kasus" pada kondisi alir dan geometrik sederhana dalam

praktik adalah tidak mungkin.

3. Kondisi lingkungan optimal acapkali

merupakan nilai peubah operasional yang

saling bergantungan (sebagai contoh adanya

gaya geser menyebabkan nilai P/V tinggi untuk

perpindahan massa, sebaliknya rendah untuk sel

mikroba)

Page 99: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Skala

Penuh

Reaktor skala penuh

(yang ada/ rancangan

awal)

Penerapan

pada skala

penuh

Skala

Kecil

Simulasi pada skala kecil

Kondisi lingkungan

Pemilihan galur

optimasi kondisi

lingkungan

Tata cara pengecilan skala (Kossen dan Oosterhius, 1985)

Teknik lain dalam perancangan bioreaktor → teknik

pengecilan ukuran (scale-down) berdasarkan pendekatan

lingkungan.

Page 100: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Metoda untuk meningkatkan skala reaktor, yaitu :

1. Metoda dasar (pemecahan neraca mikro untuk

perpindahan momentum, massa, dan panas)

2. Metoda semi-dasar (pemecahan neraca

disederhanakan)

3. Analisis dimensional (termasuk analisis regime)

4. Kaidah ibu jari (rules of thumb)

5. Coba-coba (trial and error)

Page 101: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

1. Metoda Dasar

Metoda dasar digunakan untuk sistem yang

paling sederhana. Sifat :

1) Kondisi aliran jelas (misal aliran

laminar)

2) Tidak ada aliran (contoh difusi nutrien pada

pelapisan mikroba yang diam).

Dalam metoda dasar, neraca mikro digunakan untuk

perpindahan momentum, massa, dan panas.

Jika neraca mikro digunakan dalam perancangan

reaktor, maka terdapat sejumlah kesulitan :

1) Bila neraca diterapkan untuk bejana

berpengaduk, maka harus menggunakan komponen

perpindahan dalam tiga arah dengan kondisi-

kondisi batas (boundary) yang sangat kompleks.

Page 102: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

2) Neraca bersifat ganda. Artinya pemecahan neraca

momentum menghasilkan komponen alir yang

harus digunakan dalam neraca massa dan panas

3) Neraca momentum umumnya digunakan untuk zat

alir serba sama (homogen) yang sangat tidak

realistik untuk cairan fermentasi aerob.

Penerapan penting neraca mikro adalah pada sistem

imobilisasi mikroba. Bila perilaku lapisan tipis

diketahui, maka peningkatan ketebalan lapisan dapat

diperkirakan.

Page 103: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

2. Metoda Semi-Dasar

Metoda ini didasarkan pada penggunaan persamaan

aliran yang disederhanakan. Tiga model aliran yang

banyak digunakan adalah :

1) Aliran piston (plug flow)

2) Aliran piston dengan dispersi

3) Aliran tercampur baik: satu tangki atau rangkaian

beberapa tangki.

Page 104: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

3. Analisis Dimensional (AD)

Metoda analisis dimensional merupakan teknik yang

menggunakan bilangan nirmatra (tidak berdimensi) sebagai

parameter dalam perancangan reaktor.

Beberapa pembatasan metoda analisis dimensional :

1) Kadang-kadang tidak mungkin mempertahankan semua gugus tidak

berdimensi tetap selama peningkatan skala, sehingga suatu gugus

menentukan gugus yang paling penting dan mengabaikan yang lain

(analisis regim).

2) Penerapan AD kadang-kadang membawa keadaan yang secara

teknik tidak realistik (antara lain penggunaan tenaga dan

kecepatan pengaduk sangat tinggi)

3) Beberapa sistem bersifat otonom. Misalnya ukuran gelembung

dalam sistem koalesensi adalah tak bergayut terhadap ukuran dan

kondisi proses sehingga tidak sesuai dengan prinsip dasar AD

(kesamaan geometrik).

4) Pemilihan parameter dalam AD tidak selalu dapat dilakukan.

Page 105: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bila pada keadaan awal neraca momentum, massa, panas,

dan batas (boundary) nya ditulis dalam bentuk nirmatra

(tidak berdimensi), maka sejumlah bilangan nirmatra

akan muncul dengan sendirinya.

Dipilah menurut kelompok :

1) Parameter geometri (D, H, dp)

2) Sifat zat alir/padatan/gas (, , )

3) Peubah proses ( N, P,v)

4) Tetapan bermatra (g, R)

Page 106: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor

Page 107: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)

Page 108: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)

Page 109: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk

kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)

Catatan :

a) menunjukkan bahwa D atau berkaitan dengan fasa terdispersi

b) untuk bejana berpengaduk

Page 110: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Kaidah Ibu Jari

Einsele (1978) menemukan sejumlah kaidah peningkatan

skala yang digunakan oleh beberapa industri fermentasi

di Eropa yang merupakan penerapan dari kaidah ibu jari

(Tabel 2).

Patokan itu berhubungan dan mengacu pada

perpindahan oksigen (po2 adalah fungsi dari Kla yang

merupakan fungsi dari P/V ).

Tabel 2. Penggunaan patokan peningkatan skala dalam industri

fermentasi

Persentase Industri

Yang menggunakan

Patokan Peningkatan Skala

Yang Digunakan

30

30

20

20

tetapan P/V

tetapan Kla

tetapan Vip

tetapan Po2

Page 111: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

5. Coba-coba (trial and error )

Coba-coba pada perkembangan

kebudayaan manusia merupakan

metode untuk meningkatkan

proses.

Saat ini metoda coba-coba masih

banyak digunakan dalam

optimasi proses.

Sebaliknya dalam peningkatan

skala sudah jarang atau bahkan

tidak digunakan lagi.

Page 112: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Suatu pilot-plant yang baik adalah "pabrik yang

diperkecil" bukan "peningkatan percobaan

laboratorium".

Page 113: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Beberapa aspek produksi yang diperlukan dalam

perancangan pabrik skala penuh antara lain :

1. Efek jangka panjang (korosi, akumulasi selama

pendaurulangan, dan lain-lain) dari bahan reaktor

yang digunakan

2. Pengendalian proses

3. Produksi batch

4. Uji untuk pemasaran

5. Demonstrasi proses

Page 114: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Persamaa

n

Neraca

diketahui

Semua

Paramet

er

diketahui

tidak

ya

Penelitian

Untuk parameterAnalisis

dimensional

Pemecahan

analiktik

Pemecaha

n

dengan

komputer

Pecahkan

persamaan

neraca

Penetapan "regim"

Penelitian

Skala kecil

Kaidah peningkatan

Skala tentatif

Penelitian

lanjut

Kaidah peningkatan

Skala tentatif

tidak

ya

ya

tidak

tidak

Masalah peningkatan

Skala

ya

Diagram alir penentuan peningkatan skala reaktor

Page 115: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.
Page 116: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.
Page 117: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.
Page 118: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Contoh Soal 2.

Dalam rangka untuk pendayagunaan hasil pertanian, oleh suatu tim

di lakukan kajian pengembangan proses produksi vanilin dari bahan

baku eugenol (yang terlebih dahulu diekstrak dari minyak Daun

Cengkeh).

Proses yang dipilih : Isomerasi eugenol menjadi iso-eugenol yang

dilakukan dalam suatu bejana, pada suhu 160ºC dengan

penambahan larutan KOH (10%).

Isoeugenol yang terbentuk dioksidasi dengan bantuan suatu

oksidator, yakni Notrobenzena (C6H5N02) dan terbentuk Vanilin

tercampur dalam larutan alkalis.

Penambahan asam khlorida akan mengendapkan Vanilin tersebut

yang selanjutnya dapat dipisahkan.

Tahapan paling kritis dalam pembentukan Vanilin adalah reaksi

oksidasi dari Iso-eugenol menjadi Vanilin. Oleh karenanya tim

pengaji, melakukan percobaan pada tahap reaksi ini lebih rinci.

Page 119: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

OH

OCH3

KOH

CH2CH=CH2

OH

OCH3

CH=CHCH3

C6H5NO2

OH

OCH3

CHO

Reaksi :

Eugenol Isoeugenol Vanilin

Page 120: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

1. Berdasarkan informasi awal tersebut, susunlah suatu diagram alir

yang juga menggambarkan peralatan yang diperlukan (nantinya).

2. Kajian oksidasi isoeugenol menjadi Vanilin, dilakukan secara

curah/batch untuk mengetahui pola atau kinerja reaksi oksidasi

tersebut. Konsentrasi isoeugenol : 15M, konsentrasi Nitrobenzena :

10M. Pemantauan hasil reaksi produksi (Vanilin) diperoleh hasil sbb :

Waktu

( Menit )

Vanilin

( Molar )

0 0

1 3.97

2 5.12

3 5.95

4 6.61

5 7.10

6 7.52

Berdasarkan hasil tersebut, parameter apa yang dapat anda

tentukan untuk perancangan proses lebih lanjut.

Page 121: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

3. Apabila reaksi oksidasi tersebut kemudian akan diterapkan

dalam proses produksi, dan Anda diminta untuk memilih jenis

reaktor yang akan digunakan, mana yang menurut anda paling

ekonomis :

( Proses akan dilakukan secara kontinyu )

- Reaktor Tangki Ideal (RTI)

- Reaktor Pipa Ideal (RPI)

Apabila diinginkan derajat konversi sebesar 80 %, tunjukkan

berapa perbedaan waktu proses/ waktu tinggal kedua reaktor

tersebut.

Page 122: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Pada evaluasi lebih lanjut, akan dipilih reaktor piston sebagai

wahana reaksi pembuatan Vanilin dan untuk itu dilakukan

pengajian tentang kemungkinan skala untuk skala 'pilot plant'

maupun untuk tujuan/skala industri.

Percobaan dilaboratorium dikerjakan pada reaktor dengan

ukuran :

- Diameter (d¡) : 5 cm dan panjang (1) : 50 cm

- Sifat larutan yang terukur antara lain :

densitas (p) : 1000 kg/m³

Kecepatan alir (U) : 160 cm/menit

Viskositas : 20 cp (0.020 N detik/m²)

- Reaktor tersebut mampu bekerja pada perolehan 0.5 kg

produk/ l larutan /menit.

Kini akan dirancang suatu reaktor sama dengan kapasitas 300

kg/jam Apakah reaktor dengan ukuran diameter 5 cm dan

panjang 500 cm layak dan memenuhi persyaratan untuk

bekerja dengan kapasitas yang diinginkan ?

Page 123: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Beberapa hubungan/ rumus antara lain disediakan berikut

(Kalau dipandang perlu Anda boleh menggunakan

rumus/hubungan lain) :

JH=C/(Uld¡) 0.675

(I2/d¡2) C2/(U¡2d¡2) 0.675 = ( I¡/d¡)CI /C(U¡Id¡I)0.675

C2(U¡2/U¡I)0.325=CI(d¡2/d¡I)1.675

JH: faktor perpindahan massa

C: tetapan tak berdimensi.

Hubungan antara C dan panjang pipa

(diameter 5 cm) disajikan pada

gambar berikut

Page 124: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

Penyelesaian :

1. Penyusunan diagram alir proses, dari bahan dasar eugenol menjadi

vanilin

2. Reaksi :

isoeugenol + nitrobenzenza vanilin + etilnitrobenzena

A + B P + R

Laju reaksi pembentukan vanilin, rp = dcp = - rA=dCt

dt dt

-rA=kCA.CB

k ditetapkan dengan memplot :

1 ln CAo (CAo-CP) . vs kt.

CAo-CBo CAo(CAo-CP)

CAo : 5M

CBo :10M

Page 125: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

T,

( Menit )

Vanilin

(CP),M

1 In CAo (CAo-CP)

CAo-CBo CAo(CAo-CP)

0 0 0

1 3.97 0.04

2 5.12 0.06

3 5.95 0.08

4 6.61 0.10

5 7.10 0.12

6 7.52 014

1 2 3 4 5 6 7 8

16

14

12

10

8

6

4

2

0

K= 0.023 mol/menit

Cb

o (

CA

o -

Cp

)

X10-2

Page 126: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

QQ

CA.CP

CB.CR

CA0

CB0

3. Pemilihan Reaktor :

a. RTI :

Komponen A.

Q CAo - V rA = Q CA + d ( VCA ) = 0

dt

Dalam keadaan tunak : d ( VCA ) = 0

dt

CAo = 30 M Konversi 80 %

CB0 = 25 M

Cp = 0.80 X 30 = 24 M

Jadi CA= 30-24 = 6M

Banyaknya B yang digunakan

untuk pembentukan P juga 24 M

Jadi CB= 25-24=1M

Disusun neraca Massa

z = V = (CAo -CA)

Q rA

= (CAo - CA )

KCA.CB

= (30 - 6 ) = 173.9 Menit

(0.23) (6) (1)

= 2.9 Jam

Page 127: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

b. RPI :

CAV CAV V

QQ

CAo

CBo

CA, CP

CB, CR

dV

Integrasi menghasilkan :

- kCB . V = In CA/CAo V = 1 In CA/CAo

Q Q -k CB

Z = 1 In 6/30

(-0.023) (1)

Z = 70 Menit = 1.2 jam

Berdasarkan tersebut akan lebih ekonomis dipih reaktor jenis RPI

yang = 2.5 kali lebih cepat.

Lihat Komponen A :

QCAv - rA dV = Q CAv + QdCA

- KCA.CB dV = QdCA

- KCB.dV = dCA

Q CA

Page 128: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

4. Penggandaan skala :

- Ukuran/reaktor laboratorium :

di1 = 5 cm = li1 = 50 cm (0.5m)

" Scale Up " : di2 = 5 cm li2 = 500 cm (5m)

Jadi digandakan : 10 kali

- Kapasitas produksi : 0.5 kg produk/menit

Kapasitas produksi ”Sacle up”:

300 kg produk/jam atau 5 kg/menit

C2 (Ui2/Ui1) 0.325 = C1 (di2/di1) 1.675

di1 = di2 =5cm → C1=C2 (Ui2/Ui1) 0.325

C2 dicari dari kurva untuk I2 = 5M C = 0.335

C1 = 0.335 (10.Ui2/Ui1 ) 0.325 = (0.335)(2.113)=0.708

Berdasakan kurva untuk li = 0.5 C1 = 065-068

Jadi ukuran reaktor yang dirancang kurang/tidak layak.

Page 129: REKAYASA PROSES - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2. Difusi (konduksi) Fenomena yang berkaitan erat dengan pengaliran dan difusi : 1.

TERIMA KASIH