MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA REAKTOR GELE

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

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 TRK 2 Reaktor 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

Penulis

BAB I
GAMBARAN UMUM

1.1 Tinjauan Umum Reaktor
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.

Gambar 1. Reaktor Kolom Gelembung
(Sumber: Anil, 2007)

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.

Tabel 1. Aplikasi Biokimia Reaktor Kolom Gelembung

Produk

Biokatalis

Thienamycin

Streptomyces cattleya

Glukoamilase

Aureobasidium pullulans

Asam Asetat

Acetobacter aceti

Antibodi Monoklonal

Hybridoma cells

Metabolit sekunder tumbuhan

Hyoscyamus muticus

Taksol

Taxus cuspidate

Asam Organik (asetat, butirat)

Eubacterium limosum

Low Oxygen Tolerance

Arabidopsis thaliana

Fermentasi Etanol

Saccharomyces cerevisiae

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

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 (N A0) terhadap laju absorpsi dari zat
terlarut A (zat yang sama) dalam kasus absorpsi fisis (N A0phys).

1.2 Fasa-Fasa pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa
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 Fenomena Model Aliran pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa
Karena mengkontakkan tiga fasa zat, model aliran yang terjadi di dalam reaktor

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.

Gambar 2. Sirkulasi Fluida Cair karena Aliran Gelembung Gas
(Sumber: Kantarci, 2004)

Gambar 3. Sirkulasi Partikel Padat karena Aliran Gelembung Gas
(Sumber: Kantarci, 2004)

BAB II
APLIKASI

2.1 Aplikasi Reaktor Gelembung 3 Fasa
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.

Gambar 4. 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

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 FischerTropsch 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 lainlain. 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.

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

Gambar 5. 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

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).
Dalam kolom gelembung pertama, lilin mentah untuk pemutihan diukur bersama

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.

Gambar 6. 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)

2.2 Profil Kelengkapan Reaktor Gelembung 3 Fasa
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
lebih reaktan, sementara fasa liquid biasanya merupakan bagian yang mengandung produk.

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.

Gambar 7. 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

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.

Gambar 8. 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

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.

Gambar 9. 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:

Gambar 10. Jenis-Jenis Reaktor Gelembung Tiga Fasa
(Sumber: www.metal.ntua.gr)

BAB III
DESAIN DAN PARAMETERNYA

3.1 Desain dan Scale-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
holdup gas dalam sistem reaktor.

3.2 Liquid HoldUp
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.

Gambar 11. Skema Zona Aliran pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa
(Sumber: Kantarci, 2004)

3.2.1 Zona Homogen (Bubbly Flow)
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

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.

Gambar 12. Peta Zona Aliran pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa
(Sumber: Kantarci, 2004)

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

Gambar 13. 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

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.

Gambar 14. Korelasi Koefisien Transfer Massa untuk Reaktor Gelembung
(Sumber: Kantarci, 2004)

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.

MAKALAH TEKNIK REAKSI KIMIA 2

2014

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.

REAKTOR GELEMBUNG TIGA FASA DALAM INDUSTRI KIMIA

25


Dokumen baru

PENGARUH PENERAPAN MODEL DISKUSI TERHADAP KEMAMPUAN TES LISAN SISWA PADA MATA PELAJARAN ALQUR’AN HADIS DI MADRASAH TSANAWIYAH NEGERI TUNGGANGRI KALIDAWIR TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

76 1813 16

PENGARUH PENERAPAN MODEL DISKUSI TERHADAP KEMAMPUAN TES LISAN SISWA PADA MATA PELAJARAN ALQUR’AN HADIS DI MADRASAH TSANAWIYAH NEGERI TUNGGANGRI KALIDAWIR TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

28 472 43

PENGARUH PENERAPAN MODEL DISKUSI TERHADAP KEMAMPUAN TES LISAN SISWA PADA MATA PELAJARAN ALQUR’AN HADIS DI MADRASAH TSANAWIYAH NEGERI TUNGGANGRI KALIDAWIR TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

28 426 23

PENGARUH PENERAPAN MODEL DISKUSI TERHADAP KEMAMPUAN TES LISAN SISWA PADA MATA PELAJARAN ALQUR’AN HADIS DI MADRASAH TSANAWIYAH NEGERI TUNGGANGRI KALIDAWIR TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

9 255 24

PENGARUH PENERAPAN MODEL DISKUSI TERHADAP KEMAMPUAN TES LISAN SISWA PADA MATA PELAJARAN ALQUR’AN HADIS DI MADRASAH TSANAWIYAH NEGERI TUNGGANGRI KALIDAWIR TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

19 377 23

KREATIVITAS GURU DALAM MENGGUNAKAN SUMBER BELAJAR UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS PEMBELAJARAN PENDIDIKAN AGAMA ISLAM DI SMPN 2 NGANTRU TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

31 555 14

KREATIVITAS GURU DALAM MENGGUNAKAN SUMBER BELAJAR UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS PEMBELAJARAN PENDIDIKAN AGAMA ISLAM DI SMPN 2 NGANTRU TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

25 490 50

KREATIVITAS GURU DALAM MENGGUNAKAN SUMBER BELAJAR UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS PEMBELAJARAN PENDIDIKAN AGAMA ISLAM DI SMPN 2 NGANTRU TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

10 315 17

KREATIVITAS GURU DALAM MENGGUNAKAN SUMBER BELAJAR UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS PEMBELAJARAN PENDIDIKAN AGAMA ISLAM DI SMPN 2 NGANTRU TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

15 484 30

KREATIVITAS GURU DALAM MENGGUNAKAN SUMBER BELAJAR UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS PEMBELAJARAN PENDIDIKAN AGAMA ISLAM DI SMPN 2 NGANTRU TULUNGAGUNG Institutional Repository of IAIN Tulungagung

26 568 23