Tinjauan Umum Reaktor GAMBARAN UMUM

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 A0 phys .

1.2 Fasa-Fasa pada Reaktor Gelembung Tiga Fasa