Aplikasi Reaktor Gelembung 3 Fasa

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 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. 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 COH 2 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 COH2 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