MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA REAKTOR GELE

(1)

MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA

REAKTOR GELEMBUNG TIGA FASA

DALAM INDUSTRI KIMIA

Oleh :

Cahya Tri Rama

1106070905

Cipto Tigor P.N

1106070810

Sorindah Molina

1106070786

Zainal Abidin

1206314655

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK 2014


(2)

KATA

PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat-Nyalah makalah presentasi ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya.

Makalah TRK2Reaktor Gelembung 3 Fasa di Industri Kimia ini merupakan salah satu tugas mata kuliah Teknik Reaksi Kimia 2 pada semester 6 ini.

Dalam penyelesaian makalah ini, kami mendapatkan banyak bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, sepantasnya jika kami mengucapkan terima kasih kepada:

1. Dr. Ir. Setiadi, M.Eng selaku dosen mata kuliah Teknik Reaksi Kimia 2 yang telah pengarahan dan bimbingan kepada kami.

2. Semua pihak yang telah membantu, baik secara langsung maupun tidak langsung, yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Kami menyadari bahwa makalah ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, kami mengharapkan kritik dan saran yang positif agar makalah ini dapat menjadi lebih baik dan berdaya guna di masa yang akan datang.

Akhir kata, kami berharap supaya makalah ini dapat menjadi salah satu sumber referensi ilmiah yang bermanfaat bagi banyak pihak. Terima kasih.

Depok, 8 Juni 2014


(3)

BAB I

GAMBARAN UMUM

1.1 TinjauanUmumReaktor

Pada dasarnya, reaktor gelembung adalah reaktor dua fasa, yaitu gas dan cairan, yang berbentuk vessel silinder dengan distributor gas (sparger) di bagian bawah reaktor. Fluida berfasa gas didispersikan melalui sparger, sehingga terbentuk gelembung gas yang kemudian bergerak melalui fluida berfasa cair yang berada di dalam vessel. Pada pengembangan reaktor gelembung selanjutnya, gelembung gas bergerak melalui suspensi yang merupakan campuran fluida berfasa cair dan padatan. Reaktor gelembung model ini dinamakan dengan reaktor gelembung tiga fasa atau slurry bubble column reactor

(SBC).

Reaktor kolom gelembung diaplikasikan secara luas sebagai kontaktor dan reaktor mutifasa di industri kimia, biokimia, petrokimia, dan juga metalurgi material. Reaktor ini memiliki keuntungan selama proses operasi dan perawatan seperti laju transfer panas dan massa yang tinggi, kepadatan yang tinggi, dan rendahnya harga operasi dan perawatan reaktor. Reaktor kolom gelembung tiga fasa digunakan dan dioperasikan dalam teknik reaksi, yaitu dengan adanya katalis dan aplikasi biokimia di mana mikroorganisme yang digunakan sebagai suspensi padat untuk menghasilkan bioproduk dalam skala industri. Investigasi parameter disain karakteristik untuk operasi dan peristiwa perpindahan dari reaktor kolom gelembung telah menyebabkan pemahaman yang lebih baik tentang sifat hidrodinamika, mekanisme transfer massa dan transfer panas serta sifat aliran yang berjalan selama proses operasi. Selain itu, saat ini terdapat beberapa studi ilmiah yang meneliti dan mengembangkan simulasi komputasi dinamika fluida dan model matematika untuk menggambarkan fenomena yang terjadi pada reaktor kolom gelembung.

Gambar1. Reaktor Kolom Gelembung (Sumber: Anil, 2007)


(4)

Ada tiga kategori utama dari reaktor multifasa, yaitu trickle bed reactor (fixed atau

packed bed), fluidized bed reactor, dan reaktor kolom gelembung. Reaktor kolom gelembung pada dasarnya adalah sebuah bejana berbentuk silinder dilengkapi dengan distributor gas pada bagian bawah. Gas tersebut disemprotkan dalam bentuk gelembung menjadi baik fasa cair maupun suspensi cair-padat. Reaktor ini umumnya disebut sebagai reaktor kolom gelembung “bubur” apabila terdapat fasa padat yang ada di dalamnya.

Reaktor kolom gelembung tiga fasa diaplikasikan dalam proses industri yang melibatkan reaksi seperti oksidasi, klorinasi, alkilasi, polimerisasi, dan hidrogenasi, dalam proses pembuatan bahan bakar sintesis dengan konversi gas serta fermentasi dan pengolahan air limbah biologis dalam proses biokimia. Beberapa proses aplikasi kimiawi yang terkenal adalah proses Fischer-Tropsch yang merupakan proses pencairan batu bara secara tidak langsung untuk menghasilkan bahan bakar tansportasi, sintesis metanol, dan pembuatan bahan bakar sintesis lainnya yang lebih ramah lingkunga dibandingkan dengan bahan bakar turunan minyak yang ada.

Aplikasi penting untuk reaktor kolom gelembung adalah penggunaannya sebagai bioreaktor di mana mikroorganisme terlibat untuk menghasilkan produk industri seperti enzim, protein, antibiotik, dan lain sebagainya. Beberapa studi biokimia terbaru yang menggunakan kolom gelembung sebagai bioreactor dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel1. Aplikasi Biokimia Reaktor Kolom Gelembung

Produk Biokatalis Thienamycin Streptomycescattleya

Glukoamilase Aureobasidiumpullulans

Asam Asetat Acetobacteraceti

Antibodi Monoklonal Hybridomacells

Metabolit sekunder tumbuhan Hyoscyamusmuticus

Taksol Taxuscuspidate

Asam Organik (asetat, butirat) Eubacteriumlimosum

LowOxygenTolerance Arabidopsisthaliana


(5)

Reaktor gelembung tiga fasa memiliki beberapa keuntungan apabila diimplementasikan dalam dunia industri dalam proses operasinya dibandingkan:  Keuntungan pertama yaitu reaktor jenis ini memiliki karakteristik transfer panas dan massa yang lebih unggul, yang artinya koefisien transfer panas dan massa yang nilainya kekurangan bagian yang bergerak dan kepadatan; durabilitas katalis dan material kemasan yang lain lebih lama.

 Kemampuan penambahan dan pengurangan katalis dan operasi yang bebas penyumbat sebagai pilihan reaktor.

 Tidak membutuhkan proses pemisahan fasa solid dari fasa liquidnya  Meningkatkan konversi dan selektivitas.

 Lebih mudah dalam proses scale-up dikarenakan hidrodinamika-nya hanya dipengaruhi oleh channel yang terbentuk dalam katalis.

 Cocok digunakan untuk reaksi-reaksi yang eksotermis karena slurry yang melewati reaktor dapat berperan sebagai penyerap panas.

 Menghilangkan kemungkinan terjadinya hot spot dalam reaktor karena slurry juga bisa berfungsi sebagai distributor suhu sehingga suhu dalam reaktor menjadi seragam.

Disain dan proses scale up reaktor gelembung tiga fasa, investigasi parameter hidrodinamik, dan parameter karakteristik operasi menjadi pertimbangan yang ada karena kepentingan industri dan aplikasi yang luas dari reaktor jenis ini.

Untuk merancang reaktor kolom gelembung, parameter hidrodinamika yang dibutuhkan sebagai berikut :

1. Luas antarmuka gas-cair tertentu. 2. Koefisien dispersi padatan aksial 3. Diameter gelembung rata-rata sauter. 4. Koefisien dispersi aksial dari gas dan cair.

5. Koefisien perpindahan panas menyeluruh antara lumpur dan transfer internal dari panas yang tercelup.

6. Koefisien perpindahan massa untuk semua spesi, gas yang tertahan, sifat fisika-kimia Untuk memperkirakan parameter-parameter disain pada sistem, studi eksperimental bermanfaat secara khusus dalam penghitungan alat dan aksesoris. Aliran gas ke dalam kolom reaktor diukur melalui rotameter dan kecepatan superfisial gas disesuaikan. Gas kemudian didistribusikan oleh gas distributor yang memiliki berbagai


(6)

alternatif seperti jenis cincin, plat berlubang, atau distributor lengan. Sebuah pemanas listrik dapat dipasang untuk menjaga suhu konstan dalam kolom reaktor. Sistem pengukuran tekanan dapat berisi cairan manometer atau pressure transducer (pemancar tekanan). Pengukuran tekanan digunakan untuk memperkirakan penahanan gas dalam sistem. Termokopel digunakan ketika variasi temperatur diperlukan untuk direkam. Sensor fluks panas dapat digunakan untuk memperkirakan fluks panas dan untuk mengukur koefisien perpindahan panas yang sesuai antara objek panas yang tercelup dan lumpur atau lumpur dan dinding. Untuk control dan penyesuaian yang lebih baik, alat-alat yang ada biasanya disertai dengan kontroler PID. Sistem akuisisi data dapat digunakan untuk investigasi parameter sesaat, misalnya untuk merekam fluktuasi tekanan dan estimasi penahanan gas sesaat serta sifat gelembung.

Salah satu ilustrasi dari aliran multifasa pada reaktor kolom gelembung adalah sebagai berikut. Reaktor berisi dengan air dan gelembung gas yang dimasukkan dari bagian bawah reaktor. Karena adanya gaya apung, gelembung kemudian naik ke bagian atas reaktor, menginduksi cairan yang bergerak secara bebas. Lebih jauh lagi, saat gelembung naik ke atas melalui air, gas akan terlarut dari gelembung ke dalam cairan.

Pada aliran multifasa dalam reaktor kolom gelembung, aliran yang masuk bersifat turbulen dan dapat menyebabkan pertukaran gas dengan cairan yang nilainya optimal. Kolom reaktor dibangun dengan beberapa bentuk konstruksi. Proses pencampuran terjadi karena adanya semprotan gas dan membutuhkan energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan pengadukan mekanis. Cairan yang dimasukkan dapat berupa aliran sejajar atau aliran menyilang.

Reaktor kolom gelembung digambarkan dengan volume isi cairan yang nilainya tinggi dan permukaan perbatasan fasa. Reaktor kolom gelembung sangat berguna apabila reaksi gas-cairan berjalan lambat yang berhubungan dengan laju absorpsi. Hal ini berlaku untuk reaksi gas-cairan yang harga bilangan Hatta (Ha) kurang dari 0,3.

Bilangan Hatta merupakan parameter tak berdimensi yang membandingkan antara laju absorpsi zat terlarut A dalam sistem reaktif (NA0) terhadap laju absorpsi dari zat terlarut A (zat yang sama) dalam kasus absorpsi fisis (NA0phys).


(7)

1.2 Fasa-Fasapada ReaktorGelembungTigaFasa

Sesuai dengan namanya, yaitu reaktor gelembung tiga fasa, reaktor ini merupakan

suatu reaktor yang mengkombinasikan sifat-sifat fluida gas, fluida cair, dan padatan untuk menunjang proses terjadinya suatu reaksi kimia. Arah gerak aliran dari slurry yang berada di dalam reaktor gelembung tiga fasa bisa searah, berlawanan arah, ataupun batch

terhadap arah aliran gelembung gas. Sementara itu, arah aliran gelembung gas adalah ke atas. I.2.1 Fasa Gas

Fasa gas yang akan didispersikan dan dialirkan ke dalam reaktor adalah fluida yang berisi reaktan dari reaksi kimia yang akan dilangsungkan. Fasa gas ini bisa saja mengandung hanya satu atau lebih dari satu reaktan. Laju alir superfisial fasa gas yang melalui reaktor harus lebih kecil dari laju alir superfisial fasa cair di dalam reaktor, yaitu sekitar 0 cm/s sampai 2 cm/s. Laju alir fasa gas akan menentukan pola zona aliran ketiga fasa yang terbentuk di dalam reaktor.

I.2.2 Fasa Cair

Fasa cair yang berada di dalam reaktor adalah fluida yang bisa berperan sebagai reaktan dan/atau produk dari reaksi kimia yang akan dilangsungkan. Fasa cair ini mengandung reaktan, produk, atau inert. Laju alir superfisial fasa cair di dalam reaktor harus lebih besar dari laju alir superfisial gas, yaitu sekitar 1 cm/s sampai 50 cm/s

I.2.3 Fasa Padat

Ukuran dari partikel padat yang berada di dalam reaktor ini bervariasi antara 5 μm sampai 150 μm. Padatan yang pada dasarnya berperan sebagai katalis ini mengisi sampai skeitar 50% dari volume total slurry.

Perlu diperhatikan bahwa fenomena reaksi, perpindahan massa, dan perpindahan kalor sangat ditentukan oleh sifat-sifat fasa yang terlibat di dalam reaktor ini. Laju alir superfisial fasa gas, properti fasa cair, dan konsentrasi fasa padat di dalam reaktor adalah tiga faktor utama yang menentukan reaksi yang terjadi pada reaktor gelembung tiga fasa.

I.3 FenomenaModelAliran padaReaktorGelembungTigaFasa


(8)

selalu berubah-ubah sesuai dengan posisi aliran gelembung. Secara garis besar, fenomena model aliran yang terjadi di dalam reaktor karena adanya kontak antara ketiga fasa itu adalah sebagai berikut.

Pada awalnya, fasa cair dan padat di reaktor berada dalam kondisi diam (kecepatannya adalah nol). Kemudian, gas diinjeksikan ke dalam reaktor melalui

sparger. Beberapa detik setelah gas diinjeksikan, cairan di reaktor mulai bergerak (kecepatannya lebih dari nol). Pergerakan slurry di dalam reaktor merupakan hasil dari gaya seret yang bekerja pada elemen-elemen fluida. Gelembung gas mulai bergerak naik ke permukaan sebagai bentuk reaksi terhadap gaya dorong yang diarahkan ke atas. Gaya apung dan gaya seret adalah dua komponen gaya yang paling mempengaruhi kesetimbangan gaya vertikal di antara ketiga fasa.

Selama proses pergerakan gelembung gas melalui slurry, terjadi perubahan konsentrasi padatan yang berada di dalam reaktor. Semakin tinggi kolom gelembung, maka konsentrasi partikel-partikel padatan yang berada di dalam reaktor akan berkurang. Hal ini dikarenakan adanya proses sedimentasi pada partikel padat, sehingga konsentrasi padatan yang tinggi hanya berada di bagian bawah reaktor.

Jika aliran gelembung gas yang melalui slurry diamati secara tiga dimensi, maka diperoleh hasil observasi berupa gambar berikut. Gambar 2 dan gambar 3 menunjukkan zona sirkulasi cairan dan padatan saat gelembung gas bergerak melalui

slurry.

Gambar2. Sirkulasi Fluida Cair karena Aliran Gelembung Gas (Sumber: Kantarci, 2004)


(9)

Gambar3. Sirkulasi Partikel Padat karena Aliran Gelembung Gas (Sumber: Kantarci, 2004)


(10)

BAB II

APLIKASI

2.1AplikasiReaktorGelembung3Fasa

Kolom gelembung sangat cocok sebagai perangkat pengkontak gas-cair, salah satu desain yang ditunjukkan pada Gambar. Bentuk paling sederhana dari kolom gelembung (Gambar A) terdiri dari tabung vertikal tanpa internal. Gas diumpankan di bagian bawah sementara cairan dimasukkan melalui aparat searah atau secara berlawanan. Bentuk sederhana jarang digunakan dalam praktek, melainkan dengan sejumlah modifikasi.

Gambar4. Jenis reaktor gelembung-kolom : a) kolom gelembung sederhana, b) Cascade gelembung kolom dengan nampan saringan, c) kolom gelembung isian, d) Multishaft gelembung kolom, e) kolom gelembung dengan

mixer statis (Sumber: Zehner, 2005)

Pencampuran kembali gas dan fasa cair dalam kolom gelembung sederhana dan distribusi tidak merata gelembung gas sepanjang penampang dapat dikurangi dengan pemasangan nampan (Gambar B), kemasan (Gambar C), atau poros (Gambar D). Semua


(11)

perangkat ini dapat beroperasi baik searah atau secara berlawanan. Untuk mengatur kemungkinan aliran gelembung yang paling homogen, elemen mixer statis juga dapat ditempatkan di bagian aliran naik (Gambar E). Reaktor gelembung tiga fasa, atau three phase bubble column reactor, merupakan salah satu jenis reaktor dan kontaktor multifasa yang banyak digunakan di dalam industri kimia, petrokimia, biokimia, dan metalurgi.

Reaktor gelembung paling banyak diaplikasikan di dalam proses kimia yang meliputi reaksi oksidasi, klorinasi, alkilasi, polimerisasi, dan hidrogenasi, proses pembuatan synthetic fuels dengan menggunakan konversi gas, serta proses biokimia seperti fermentasi dan pengolahan air limbah. Di bawah ini akan dibahas dua contoh reaksi yang terjadi karena adanya kontak ketiga fasa di dalam reaktor gelembung, yaitu proses Fischer-Tropsch dan proses fermentasi.

2.1.1 Proses Fischer-Tropsch

Proses Fischer-Tropsch adalah suatu reaksi berkatalis untuk membentuk hidrokarbon cair (synthetic fuels) yang berasal dari syn-gas. Tiga fasa yang saling berkontak di dalam reaktor gelembung ini adalah:

Fasa gas

Fasa gas pada reaktor gelembung ini adalah umpan syn-gas, yang berupa campuran gas karbon monoksida dan hidrogen.

Fasa cair

Fasa cair pada reaktor gelembung ini adalah produk reaksi yang berupa campuran hidrokarbon cair dan air.

Fasa padat

Fasa padat pada reaktor gelembung ini adalah katalis padat yang berfungsi untuk menurunkan energi aktivasi reaksi. Katalis yang umum digunakan pada proses Fischer-Tropsch adalah padatan besi, kobalt, nikel, atau ruthenium.

Pada proses Fischer-Tropsch, fasa gas (syn-gas) harus berkontak dengan fasa padat (katalis) supaya reaksi pembentukan hidrokarbon cair dapar berlangsung. Fasa padat, yaitu katalis, disuspensikan ke dalam pelarut yang berupa air, etanol, toluena, dan lain-lain. Hasil pencampuran katalis dan pelarut adalah satu campuran homogen yang disebut dengan slurry. Syn-gas yang berperan sebagai katalis dipompakan dan didispersikan dari bagian bawah reaktor. Hasil pendispersian fasa gas ini adalah gelembung yang kemudian bergerak naik ke atas reaktor. Selama mengalir ke atas, gas dari gelembung terabsorbsi oleh slurry, sehingga gelembung akan menghilang.


(12)

2.1.2 Proses Fermentasi

Fermentasi adalah reaksi kimia yang banyak diterapkan di industri biokimia dan farmasi. Tiga fasa yang saling berkontak di dalam reaktor gelembung ini adalah:

 Fasa gas: umpan gas yang berupa gas oksigen.  Fasa cair:

Fasa cair pada reaktor gelembung ini adalah pelarut yang berupa air dimana air tidak akan ikut bereaksi dengan reaktan yang diumpankan ke dalam reaktor.

 Fasa padat

Fasa padat pada reaktor gelembung ini adalah sel, dimana sel akan bereaksi dengan umpan oksigen dan terjadi reaksi fermentasi.

Pada proses fermentasi, fasa gas (oksigen) dipompakan dan didispersikan ke dalam reaktor. Hasil pendispersian fasa gas ini adalah gelembung yang kemudian bergerak naik ke atas reaktor. Selama mengalir ke atas, gas dari gelembung bereaksi dengan sel. Hasil reaksi fermentasi adalah sel dengan konsentrasi dan produktivitas yang lebih tinggi.

2.1.3 Proses Hidroformilasi

Gambar5. Hidroformilasi propena a) zona Stripping, b) zona Reaksi (Sumber: Zehner, 2005)

Hidroformilasi propena dilakukan dalam kolom gelembung sederhana.Reaksi homogen dikatalisis oleh kompleks rodium. Biasanya propena dan campuran gas CO/H2 dibiarkan di bagian bawah reaktor. Gas yang bereaksi tidak sempurna, jenuh dengan produk reaksi, keluar reaktor. Produk hidroformilasi dipisahkan dari aliran gas melalui


(13)

kondensasi dan diteruskan ke pengolahan hilir, sedangkan gas didaur ulang ke reaktor. Karena panas reaksi tidak bisa sepenuhnya dihapus oleh pendinginan uap menggunakan entalpi penguapan produk, kolom gelembung ini juga dilengkapi dengan loop pendingin eksternal.

Satu keuntungan besar dari proses ini adalah bahwa produk tersebut pulih dari campuran reaksi tanpa operasi pemisahan tambahan yang akan merusak sistem katalis yang mahal. Kopling dekat antara produk dan gas daur ulang yang diperlukan untuk melepaskan (yaitu, suatu jumlah tertentu gas diperlukan untuk debit produk untuk alasan termodinamika), bagaimanapun, menyajikan beberapa masalah. Pertama, laju aliran gas menyebabkan pengurangan gas yang tinggi, yang mengurangi volume reaksi dan dengan demikian mengurangi produktivitas reaktor. Kedua, gelembung besar terjadi, yang membatasi pengiriman reaktan gas ke fase cair dalam reaktor. Untuk alasan ini, gas daur ulang dibuat dalam kolom gelembung pada dua tingkat (Gambar 2). Sekitar setengah dari gas daur ulang dimasukkan melalui sparger bawah untuk membubarkan reaktan ke zona reaksi atasnya. Gas daur ulang yang tersisa membiarkan melalui sparger restoran, yang terletak sedikit di bawah permukaan cairan, untuk memfasilitasi pemisahan produk reaksi. Akhirnya, aliran reaktan CO/H2 diumpankan di berbagai tingkatan untuk memasok CO yang telah dikonsumsi oleh reaksi dalam fasa cair.

2.1.4 Oksidasi Wax Montana

Kolom gelembung digunakan dalam kaskade ketika distribusi waktu tinggal yang sempit diperlukan, misalnya, untuk mencegah atau membatasi reaksi berturut-turut yang tidak diinginkan. Mengurangi pencampuran balik (yaitu, distribusi waktu tinggal yang sempit) juga berguna ketika pertimbangan teknik reaksi mendikte bahwa gas harus diumpankan untuk berbagai titik dalam reaktor atau ketika reaktan cair harus terdegradasi semaksimal mungkin.

Lilin montan dari batubara coklat harus deresinifikasi, bleaching oksidatif, dan esterifikasi (opsional). Oksidasi dari lilin terdiri dari beberapa reaksi berturut-turut; tiga langkah pertama (oksidasi resin dan zat berwarna gelap, saponifikasi lilin montan,oksidasi alkohol lilin) yang digunakan, sedangkan keempat (degradasi oksidatif asam lilin) tidak. Distribusi waktu tinggal dalam reaktor harus dikontrol sehingga reaksi yang diinginkan berjalan tanpa reaksi yang tidak diinginkan terjadi ke setiap penambahan yang terjadi. Oksidasi dilakukan dalam empat kolom gelembung mengalir dihubungkan secara seri (Gambar 1).


(14)

dengan setengah dari jumlah asam kromat yang diperlukan. Udara disediakan untuk meningkatkan pencampuran reaktan. Asam kromat terpakai dipisahkan dari hilir lilin dari kolom pertama dan kolom kedua. 25% lainnya dari total asam yang diperlukan akan ditambahkan ke kolom kedua dan ketiga. Reaksi sebaiknya berlangsung pada 100-125◦C dan 1 - 5 bar, dengan waktu tinggal 1-3 jam untuk seluruh kaskade. Entalpi reaksi dihilangkan dengan penguapan parsial dari air yang terkandung dalam asam kromat. Setelah keluar dari kolom gelembung keempat, produk teroksidasi, asam terpakai, dan off-gas dipisahkan dalam dua pemisah.

Gambar6. Oksidasi lilin montan dalam kolom gelembung kaskade a) Cascade reaktor kolom gelembung, b) Separator c) pemurnian Final oksidat lilin d) pengolahan gas-Off

(Sumber: Zehner, 2005)

2.2ProfilKelengkapan ReaktorGelembung3Fasa

Reaktor gelembung pada dasarnya merupakan tabung silinder dengan gas distributor di bagian bawah. Gas dilewatkan ke dalam kolom yang berisi fasa liquid atau campuran fasa liquid dan padatan dalam bentuk gelembung. Reaktor fasa tiga gelembung yang mengandung fasa solid di dalamnya ini biasa disebut juga dengan istilah slurry bubble column reactors. Aliran dari faca cair atau slurry dalam reaktor gelembung bisa searah ataupun berlawanan arah dengan aliran dari fasa gas. Fasa padat yang digunakan biasanya berukuran antara 5

sampai 150 μm, dengan fraksi padatan sebesar 50% volume. Fasa gas mengandung satu atau


(15)

Terkadang zat-zat yang inert juga digunakan sebagai fasa liquid karena fasa liquid disini kebanyakan hanya berfungsi sebagai media pembawa saja. Sementara untuk fasa padat biasanya merupakan katalis yang akan mempercepat berlangsungnya reaksi. Penggambaran dari reaktor fasa tiga gelembung dapat dilihat pada Gambar berikut ini.

Gambar7. Reaktor Gelembung Tiga Fasa (Sumber: www.metal.ntua.gr)

Dapat dilihat bahwa reaktor gelembung tiga fasa terdiri dari gas distributor atau gas

sparger pada bagian bawah. Sparger ini berfungsi sebagai pembentuk gelembung dan penyebar fasa gas sehinga tersebar merata dalam reaktor. Penggunaan gas distributor ini lebih efektif untuk membuat distribusi gas menjadi seragam jika dibandingkan dengan penggunaan mixer. Selain itu, penggunaan sparger memungkinkan reaktor ini untuk bekerja secara kontinu.

Katalis padat yang digunakan dalam reaktor bisa dimasukkan dalam dua cara, yang pertama adalah dicampurkan dengan fasa liquid untuk kemudia dibawa oleh fasa liquid bergerak melewati reaktor. Campuran dari fasa liquid dan fasa padat ini membentuk slurry. Slurry yang bergerak ke dalam reator kemudian dikontakkan dengan gelembung fasa gas yang biasanya


(16)

merupakan reaktan. Kontak antara fasa gas dengan slurry dilakukan dengan melewatkan gas ke dalam sparger kemudian dilewatkan ke dalam kolom yang berisi slurry. Karena prosesnya adalah proses yang kontinu sehingga cukup dengan menggunakan sparger saja proses pencampurannya bisa menjadi seragam. Produk hasil reaksi yang dihasilkan dan terbawa oleh slurry dapat dipisahkan dari slurry karena adanya perbedaan densitas dimana produk hasil reaksi yang densitasnya lebih rendah akan keluar kebagian atas reaktor sementara fasa padat atau slurry yang densitasnya lebih tinggi akan kembali ke bagian bawah reaktor untuk dialirkan kembali. Penggunaan katalis yang dicampurkan dengan fasa liquid ini dapat dilihat dalam gambar.

Gambar8. Penggunaan Katalis Padat yang Dicampurkan dengan Fasa Liquid (Sumber: www.metal.ntua.gr)

Sementara cara lain yang digunakan untuk memasukkan katalis padat dalam reaktor adalah dengan menjadikan katalis padat menjadi fasa diam dalam reaktor. Fasa diam ini bisa dicapai dengan meletakkan katalis padat di atas tray-tray yang dipasang di dalam reaktor. Selain itu bisa juga dengan menempelkan katalis pada dinding-dinding reaktor. Namun demikian cara kedua ini ternyata kurang efektif jika dibandingkan dengan penggunaan slurry. Cara kedua ini konversinya akan lebih rendah jika dibandingkan


(17)

dengan reaktor yang menggunakan slurry dikarenakan pada reaktor yang menggunakan slurry, pencampuran antara fasa padat, fasa gas, dan fasa liquid akan menjadi lebih seragam dan kontak yang terjadi diantara ketiganya juga menjadi lebih sering jika dibandingkan dengan menggunakan fasa padat sebagai fasa diam di ndalam reaktor.

Gambar9. Penggunaan Katalis Padat sebagai Fasa Diam (Sumber: www.metal.ntua.gr)

Pada dasarnya, penggunaan katalis padat dalam reaktor gelembung tiga fasa bisa sebagai fasa diam maupun sebagai fasa bergerak yang dicampurkan dengan fasa liquid. Dalam pengembangannya, beberapa orang melakukan modifikasi dalam bentuk reaktor dengan tujuan mendapatkan konversi yang maksimum. Beberapa jenis dari reaktor fasa tiga gelembung dapat dilihat pada:

Gambar10. Jenis-Jenis Reaktor Gelembung Tiga Fasa (Sumber: www.metal.ntua.gr)


(18)

BAB

III

DESAIN DAN PARAMETERNYA

3.1DesaindanScale-Up Reaktor

Diperlukan diameter reaktor yang cukup besar karena dalam reaktor ini terjadi aliran gas yang memiliki laju alir yang cukup besar. Sementara itu, tinggi reaktor yang cukup diperlukan untuk menghasilkan konversi yang besar. Namun, jika tinggi dan diameter reaktor terlalu besar, hal ini akan menyulitkan dalam proses operasi reaktor. Reaktor gelembung di industri umumnya memiliki rasio panjang terhadap diameter sebesar 5. Dalam industri biokimia, rasio tersebut berada pada rentang 2 dan 5.

Ada dua model operasi reactor gelembung, yaitu model semibatch dan model kontinu. Dalam model operasi kontinu, aliran gas dan suspense terjadi secara searah menaiki kolom. Suspensi yang meninggalkan kolom akan di-recycle menuju tangki umpan (feed tank). Laju superfisial cairan dijaga selalu lebih rendah daripada laju superfisial gas. Sementara pada model operasi semibatch, suspensi tidak dialirkan (tidak ada aliran cairan). Pada model ini, hanya aliran gas yang menaiki kolom.

Tiga fenomena utama yang mempengaruhi desain dan scale-up reactor gelembung, yaitu : (1) Karakteristik transfer panas dan massa

(2) Karakteristik pencampuran

(3) Karakteristik sistem kinetika kimia

Parameter hidrodinamik yang diperlukan dalam desain reaktor gelembung adalah luas kontak gas-cairan spesifik, koefisien dispersi aksial padatan, diameter gelembung sauter rata-rata, koefisien dispersi aksial gas dan cairan, koefisien panas keseluruhan antara

slurry dan transfer panas internal, koefisien transfer massa semua spesi, gas holdup, sifat fisikokimia media cairan. Aliran gas dalam kolom diukur dengan rotameter dan kecepatan superfisial gas disesuaikan. Gas didistribusikan dengan gas distributor yang memiliki beberapa bentuk yaitu tipe ring, plat berlubang atau berbentuk lengan (arm). Pemanas elektrik digunakan untuk menjaga suhu konstan dalam reactor. Sistem pengukuran tekanan berupa manometer cair atau transduser tekanan digunakan untuk memperkirakan


(19)

3.2LiquidHoldUp

Seperti yang telah disebut di dalam sub-bab sebelumnya, terdapat batasan terhadap laju alir superfisial gas dan cairan di dalam reaktor. Laju alir superfisial gas akan menentukan pola kontak reaktan di dalam reaktor, yang ditandai dengan terbentuknya zona aliran slurry

secara khusus.

Terdapat tiga buah zona aliran yang terbentuk di dalam reaktor, yaitu zona homogen, zona heterogen, dan zona slug. Selain ketiga zona tersebut, sebenarnya terbentuk juga satu model zona lainnya, yaitu zona foaming. Namun, zona ini jarang ditemukan pada reaktor gelembung tiga fasa.

Gambar 11 menunjukkan pola zona yang terbentuk karena adanya perbedaan karakteristik laju alir superfisial gas. Berikut merupakan penjelasan terhadap masing-masing zona aliran.

Gambar11. Skema Zona Aliran pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa (Sumber: Kantarci, 2004)

3.2.1 Zona Homogen (BubblyFlow)

Zona homogen, atau dikenal juga dengan zona bubbly flow, terjadi saat laju alir superfisial gas rendah sampai sedang, yaitu di bawah 5 cm/s. Ciri khas dari zona ini adalah adanya pergerakan gelembung-gelembung kecil secara vertikal, dengan adanya sedikit osilasi transversal dan aksial. Ukuran dari gelembung yang terbentuk umumnya cukup kecil, tapi tergantung pada sifat distribusi fasa gas dan sifat fisika fasa cair yang dipilih.

3.2.2 Zona Heterogen (Churn-Turbulent)

Zona heterogen, atau dikenal juga dengan zona churn-turbulent, terjadi saat laju alir superfisial gas tinggi, yaitu lebih dari 5 cm/s. Ciri khas dari zona ini adalah munculnya


(20)

gangguan pada zona homogen karena adanya turbulensi aliran fasa gas dan fasa cair. Ukuran dari gelembung yang terbentuk di dalam reaktor tidak lagi homogen, tapi berbeda-beda.

3.2.3 Zona Aliran Slug

Zona slug sejauh ini hanya diobservasi terjadi pada reaktor yang berdiameter kecil, yaitu skala laboratorium, dengan laju alir superfisial gas yang sangat tinggi. Sesuai dengan namanya, gelembung yang terbentuk di dalam reaktor berukuran cukup besar. Gelembung berukuran besar ini kemudian distabilkan oleh dinding reaktor, sehingga terbentuk slug.

Gambar12. Peta Zona Aliran pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa (Sumber: Kantarci, 2004)

3.3GasHoldUp

Gasholdup merupakan parameter karakteristik fenomena transpor gelembung dalam sistem reaktor. Gas holdup dinyatakan sebagai fraksi volume fasa gas yang ditempati oleh gelembung gas.


(21)

Gambar13. Korelasi GasHoldup untuk Kolom Gelembung (Sumber: Kantarci, 2004)

3.4KarakteristikGelembung

Karakteristik gelembung termausk kecepatan naiknya gelembung mempengaruhi hidrodinamik kolom, termasuk koefisien perpindahan massa dan panas dari kolom reaktor tersebut. Untuk mengetahui karakteristik dan struktur serta kecepatan naik gelembung maka digunakan teknik dynamic gas disengagement (DGD). Ukuran rata-rata gelembung dalam reaktor gelembung dipengaruhi oleh laju gas, sifat fluida, distribusi gas, tekanan operasi dan diameter kolom . Laju naik gelembung gas tunggal dipengaruhi oleh ukuran gelembung tersebut sehingga ukuran dan laju naik gelembung saling mempengaruhi satu sama lainUkuran gelembung meningkat seiring dengan meningkatnya laju superfisial gas, konsentrasi padatan (hingga nilai tertentu), viskositas liquid, dan tegangan permukaan. Ukuran gelembung rata-rata akan berkurang dengan meningkatnya konsentrasi agen foaming.

3.5KoefisienPerpindahanMassa

Laju transfer massa keseluruhan per satuan volume dispersi dalam kolom gelembung dipengaruhi oleh koefisien transfer massa sisi-liquid k1a dengan mengasumsikan


(22)

bahwa hambatan pada sisi gas diabaikan. Dalam reaktor kolom gelembung, k1a dipengaruhi oleh variasi luas permukaan kontak

Koefisien transfer massa volumetrik (k1a) meningkat dengan penambahan laju

gas, densitas gas, dan tekanan. Sementara itu, koefisien transfer massa volumetric akan berkurang dengan penambahan konsentrasi padatan dan viskositas liquid. Pada gelembung kecil, kerbedaan surfaktan akan meningkatkan k1a. Untuk memperoleh transfer

massa yang efektif, keberadaan gelembung yang besar harus dihindari (dicegah) dalam kolom reaktor industrial.

3.6KoefisienPerpindahanPanas

Salah satu keunggulan jenis reaktor gelembung 3 fasa ini adalah laju perpindahan panas dalam reaktor ini 100 kali lebih besar daripada aliran fasa tunggal. Pengukuran perpindahan panas pada sistem dua dan tiga fasa dapat dibagi menjadi :

(1) Perkiraan koefisien transfer panas bed menuju dinding kolom (2) Perkiraan koefisien transfer panas obyek tenggelam menuju bed

Pengukuran koefisien perpindahan panas memerlukan sumber panas dan pengukuran suhu permukaan dan bed kolom. Untuk memperkirakan koefisien transfer panas lokal sesaat h (W/m2.oC) untuk obyek yang dipanaskan menuju sistem bed misalnya, maka diperlukan nilai perbedaan suhu antara permukaan probe dan suhu ruah (ΔT,oC) dan fluks transfer panas (Q, W/m2).

Koefisien transfer panas meningkat dengan kenaikan suhu, laju superfisial gas, dan ukuran partikel. Sebaliknya, koefisien transfer panas akan menurun dengan dengan kenaikan liquid viskositas dan densitas partikel. Peningkatan koefisien transfer panas dengan kenaikan konsentrasi padatan diiringi dengan peningkatan viskositas slurry yang menghasilkan ukuran gelembung yang lebih besar dan kecepatan naik gelembung yang lebih besar serta laju transfer panas yang lebih besar. Pengukuran transfer panas pada arah aksial menunjukkan bahwa koefisien transfer panas pada daerah bulk lebih tinggi daripada di daerah distributor. Koefisien transfer panas pada bagian tengah kolom lebih tinggi dibandingkan pada bagian dekat dinding kolom. Hal ini disebabkan karena gelembung besar berkumpul pada bagian tengah kolom dan gelembung besar lebih efektif dalam mendukung transfer panas pada sistem.


(23)

Gambar14. Korelasi Koefisien Transfer Massa untuk Reaktor Gelembung (Sumber: Kantarci, 2004)


(24)

BAB

IV

KESIMPULAN

Reaktor ini memiliki keuntungan selama proses operasi dan perawatan seperti laju transfer panas dan massa yang tinggi, kepadatan yang tinggi, dan rendahnya harga operasi dan perawatan reaktor.

Reaktor kolom gelembung pada dasarnya adalah sebuah bejana berbentuk silinder dilengkapi dengan distributor gas pada bagian bawah.

Reaktor kolom gelembung tiga fasa diaplikasikan dalam proses industri yang melibatkan reaksi seperti oksidasi, klorinasi, alkilasi, polimerisasi, dan hidrogenasi, dalam proses pembuatan bahan bakar sintesis dengan konversi gas serta fermentasi dan pengolahan air limbah biologis dalam proses biokimia.

Contoh proses industri yang dilakukan dalam reaktor gelembung 3 fasa adalah proses Fischer Tropsch, proses fermentasi, proses hidroformilasi, dan proses oksidasi lilin Montana.

Sesuai dengan namanya, yaitu reaktor gelembung tiga fasa, reaktor ini merupakan suatu reaktor yang mengkombinasikan sifat-sifat fluida gas, fluida cair, dan padatan untuk menunjang proses terjadinya suatu reaksi kimia.

Reaktor gelembung tiga fasa terdiri dari gas distributor atau gas sparger pada bagian bawah.

Konsep desain reaktor gelembung 3 fasa harus memperhatikan liquid hold up, gas hold up,karakteristik gelembung yang terbentuk, transfer massa, serta transfer panas.


(25)

MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA 2 2014

REAKTOR GELEMBUNG TIGA FASA DALAM INDUSTRI KIMIA 25

DAFTAR PUSTAKA

Anil, M., V. K. Agarwal, M. Siraj Alam, dan K. L. Wasewar. 2007. CFD Modelling of Three-phase Bubble Column: 1. Study of Flow Pattern. Chem.Biochem.Eng.Q., 21 (3): 197–205.

Jakobsen, Hugo A. 2008. Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows. Jerman: Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Kantarci, Nigar, Fahir Borak, dan Kutlu O. Ulgen. 2004. Bubble column reactors.

ProcessBiochemistry, 40: 2263–2283.

Sheikh, Ashfaq. 2007. Bubble and Slurry Bubble Column Reactors: Mixing, Flow Regime TransitionandScaleup. Sever Institute of Washington University, USA.

Troshko, Andrey A. dan Franz Zdravistch. 2009. CFD Modeling of Slurry Bubble Column Reactors for Fischer-Tropsch Synthesis. ChemicalEngineeringScience, 64: 892–903.


(1)

gangguan pada zona homogen karena adanya turbulensi aliran fasa gas dan fasa cair. Ukuran dari gelembung yang terbentuk di dalam reaktor tidak lagi homogen, tapi berbeda-beda.

3.2.3 Zona Aliran Slug

Zona slug sejauh ini hanya diobservasi terjadi pada reaktor yang berdiameter kecil, yaitu skala laboratorium, dengan laju alir superfisial gas yang sangat tinggi. Sesuai dengan namanya, gelembung yang terbentuk di dalam reaktor berukuran cukup besar. Gelembung berukuran besar ini kemudian distabilkan oleh dinding reaktor, sehingga terbentuk slug.

Gambar12. Peta Zona Aliran pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa (Sumber: Kantarci, 2004)

3.3 GasHoldUp

Gas holdup merupakan parameter karakteristik fenomena transpor gelembung dalam sistem reaktor. Gas holdup dinyatakan sebagai fraksi volume fasa gas yang ditempati oleh gelembung gas.


(2)

Gambar13. Korelasi Gas Holdup untuk Kolom Gelembung (Sumber: Kantarci, 2004)

3.4 Karakteristik Gelembung

Karakteristik gelembung termausk kecepatan naiknya gelembung mempengaruhi hidrodinamik kolom, termasuk koefisien perpindahan massa dan panas dari kolom reaktor tersebut. Untuk mengetahui karakteristik dan struktur serta kecepatan naik gelembung maka digunakan teknik dynamic gas disengagement (DGD). Ukuran rata-rata gelembung dalam reaktor gelembung dipengaruhi oleh laju gas, sifat fluida, distribusi gas, tekanan operasi dan diameter kolom . Laju naik gelembung gas tunggal dipengaruhi oleh ukuran gelembung tersebut sehingga ukuran dan laju naik gelembung saling mempengaruhi satu sama lainUkuran gelembung meningkat seiring dengan meningkatnya laju superfisial gas, konsentrasi padatan (hingga nilai tertentu), viskositas liquid, dan tegangan permukaan. Ukuran gelembung rata-rata akan berkurang dengan meningkatnya konsentrasi agen foaming.

3.5 Koefisien Perpindahan Massa

Laju transfer massa keseluruhan per satuan volume dispersi dalam kolom gelembung dipengaruhi oleh koefisien transfer massa sisi-liquid k1a dengan mengasumsikan


(3)

bahwa hambatan pada sisi gas diabaikan. Dalam reaktor kolom gelembung, k1a dipengaruhi oleh variasi luas permukaan kontak

Koefisien transfer massa volumetrik (k1a) meningkat dengan penambahan laju gas, densitas gas, dan tekanan. Sementara itu, koefisien transfer massa volumetric akan berkurang dengan penambahan konsentrasi padatan dan viskositas liquid. Pada gelembung kecil, kerbedaan surfaktan akan meningkatkan k1a. Untuk memperoleh transfer massa yang efektif, keberadaan gelembung yang besar harus dihindari (dicegah) dalam kolom reaktor industrial.

3.6 Koefisien Perpindahan Panas

Salah satu keunggulan jenis reaktor gelembung 3 fasa ini adalah laju perpindahan panas dalam reaktor ini 100 kali lebih besar daripada aliran fasa tunggal. Pengukuran perpindahan panas pada sistem dua dan tiga fasa dapat dibagi menjadi :

(1) Perkiraan koefisien transfer panas bed menuju dinding kolom (2) Perkiraan koefisien transfer panas obyek tenggelam menuju bed

Pengukuran koefisien perpindahan panas memerlukan sumber panas dan pengukuran suhu permukaan dan bed kolom. Untuk memperkirakan koefisien transfer panas lokal sesaat h (W/m2.oC) untuk obyek yang dipanaskan menuju sistem bed misalnya, maka diperlukan nilai perbedaan suhu antara permukaan probe dan suhu ruah (ΔT,oC) dan fluks transfer panas (Q, W/m2).

Koefisien transfer panas meningkat dengan kenaikan suhu, laju superfisial gas, dan ukuran partikel. Sebaliknya, koefisien transfer panas akan menurun dengan dengan kenaikan liquid viskositas dan densitas partikel. Peningkatan koefisien transfer panas dengan kenaikan konsentrasi padatan diiringi dengan peningkatan viskositas slurry yang menghasilkan ukuran gelembung yang lebih besar dan kecepatan naik gelembung yang lebih besar serta laju transfer panas yang lebih besar. Pengukuran transfer panas pada arah aksial menunjukkan bahwa koefisien transfer panas pada daerah bulk lebih tinggi daripada di daerah distributor. Koefisien transfer panas pada bagian tengah kolom lebih tinggi dibandingkan pada bagian dekat dinding kolom. Hal ini disebabkan karena gelembung besar berkumpul pada bagian tengah kolom dan gelembung besar lebih efektif dalam mendukung transfer panas pada sistem.


(4)

Gambar14. Korelasi Koefisien Transfer Massa untuk Reaktor Gelembung (Sumber: Kantarci, 2004)


(5)

BAB

IV

KESIMPULAN

Reaktor ini memiliki keuntungan selama proses operasi dan perawatan seperti laju transfer panas dan massa yang tinggi, kepadatan yang tinggi, dan rendahnya harga operasi dan perawatan reaktor.

Reaktor kolom gelembung pada dasarnya adalah sebuah bejana berbentuk silinder dilengkapi dengan distributor gas pada bagian bawah.

Reaktor kolom gelembung tiga fasa diaplikasikan dalam proses industri yang melibatkan reaksi seperti oksidasi, klorinasi, alkilasi, polimerisasi, dan hidrogenasi, dalam proses pembuatan bahan bakar sintesis dengan konversi gas serta fermentasi dan pengolahan air limbah biologis dalam proses biokimia.

Contoh proses industri yang dilakukan dalam reaktor gelembung 3 fasa adalah proses Fischer Tropsch, proses fermentasi, proses hidroformilasi, dan proses oksidasi lilin Montana.

Sesuai dengan namanya, yaitu reaktor gelembung tiga fasa, reaktor ini merupakan suatu reaktor yang mengkombinasikan sifat-sifat fluida gas, fluida cair, dan padatan untuk menunjang proses terjadinya suatu reaksi kimia.

Reaktor gelembung tiga fasa terdiri dari gas distributor atau gas sparger pada bagian bawah.

Konsep desain reaktor gelembung 3 fasa harus memperhatikan liquid hold up, gas hold up,karakteristik gelembung yang terbentuk, transfer massa, serta transfer panas.


(6)

MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA 2 2014

REAKTOR GELEMBUNG TIGA FASA DALAM INDUSTRI KIMIA 25

DAFTAR PUSTAKA

Anil, M., V. K. Agarwal, M. Siraj Alam, dan K. L. Wasewar. 2007. CFD Modelling of Three-phase Bubble Column: 1. Study of Flow Pattern. Chem. Biochem. Eng. Q., 21 (3): 197–205.

Jakobsen, Hugo A. 2008. Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows. Jerman: Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Kantarci, Nigar, Fahir Borak, dan Kutlu O. Ulgen. 2004. Bubble column reactors. Process Biochemistry, 40: 2263–2283.

Sheikh, Ashfaq. 2007. Bubble and Slurry Bubble Column Reactors: Mixing, Flow Regime Transition and Scaleup. Sever Institute of Washington University, USA.

Troshko, Andrey A. dan Franz Zdravistch. 2009. CFD Modeling of Slurry Bubble Column Reactors for Fischer-Tropsch Synthesis. Chemical Engineering Science, 64: 892–903.