Mechanical Agitated Tank Reactor

TUGAS
PERANCANGAN REAKTOR
MECHANICALLY AGITATED TANK REACTOR
Disusun oleh
Ardi Fachri F.A
12115
Maulana Raka Saputra
Bayu Abdi N
121160057
12116
Sesa Pitula
121160099
Nadia Rochmah K.P
121160163
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN”
YOGYAKARTA
2019
Agitasi adalah sarana di mana pencampuran fase dapat dicapai dan dengan mana
massa dan perpindahan panas dapat ditingkatkan antara fase atau dengan permukaan
eksternal. Dalam arti yang paling umum, the proses pencampuran berkaitan dengan semua
kombinasi fase seperti Gas, Cair, padat. Itu adalah hati dari industri kimia.
Mengutip kalimat dari Mc. Cabe mengatakan bahwa “Banyak operasi
pemrosesan bergantung pada keberhasilan mereka pada yang efektif agitasi &
pencampuran cairan”.
Pencampuran dan agitasi adalah jantung dari industri kimia. Hampir semua peralatan proses
perlu beberapa jenis pencampuran atau agitasi. Keseragaman komposisi dan pola aliran yang
diinginkan tergantung pada jenis agitator dan kecepatan agitasi. Juga diperlukan untuk
mengontrol kualitas produk, khususnya di mana ada evaluasi panas dan suhunya untuk
dipertahankan konstan.
A. Tipe reaktor dan contoh reaksi dalam kehidupan sehari-hari
Reaktor tangki biasanya menggunakan agitasi mekanis untuk menghasilkan kontak
fase yang lebih intim, dengan satu fasa tersebar di fasa lain sebagai fase kontinu. • Fase gas
dapat dimasukkan melalui “sparger” yang terletak di bagian bawah tangki; ini adalah cincin
melingkar dari pipa ujung tertutup yang dilengkapi dengan sejumlah lubang sepanjang
panjangnya memungkinkan beberapa titik masuk untuk gas. • Reaktor tangki sangat cocok
untuk reaksi yang memerlukan penahanan cairan besar atau waktu tinggal fase cair yang lama
Reaktor tangki dilengkapi dengan pengaduk (pengaduk, impeler, turbin, dll.) Digunakan
secara luas untuk reaksi gas-cair.
Biasanya agitated tank reactor banyak digunakan dalam industri biokimia. Sebagai
tempat berlangsungnya proses dimana mikroorganisme aerobik membutuhkan asupan udara
agar tetap hidup. Atau dalam industri pengolahan limbah yang menggunakan mikroba
tertentu untuk menguraikan suatu komponen limbah.

bioreaktor
Gambar 1. Struktur bioreaktor
Gambar 2. Produksi biosurfaktan dari substrat molase
B.
Pola Aliran dan Proses Operasi Dalam Mechanical Agitated Tank Reactor
Dalam reaktor gas-cair berpengaduk, agitasi mekanis digunakan untuk:
a. Memecah gas menjadi gelembung-gelembung kecil untuk memperluas area kontak.
b. Mendistribusi gelembung-gelembung ke seluruh cairan,
c. Menjaga gelembung-gelembung dalam cairan dalam waktu yang cukup sehingga
memberikan penahanan gas yang baik,
d. Mencampur cairan di dalam reactor.
e. Memaksimalkan panas dan koefisien perpindahan massa,
f. Mempertahankan partikel (jika ada) dalam suspensi.
Hal diatas diperoleh dengan memberikan turbulensi energi tinggi (sistem kontrol laju
geser) dan putaran yang kuat pada agitator.
Impeler yang efektif dan terbukti secara luas untuk tangki berpengaduk gas-cair adalah turbin
cakram 6-pisau, yang juga dikenal sebagai turbin Rushton (Gbr. 1.2a). Namun agitator turbin
cakram yang ditingkatkan dengan 12 atau 18 bilah (Gambar 1.2 b, c, d), telah terbukti
memiliki kapasitas penanganan gas yang lebih baik daripada turbin Rushton sehingga
semakin banyak digunakan (Middleton, 1985 ).
Pada reactor ini, desain perangkat saluran masuk gas(sparger) relatif tidak penting
karena gas secara efektif ditangkap dan didispersikan oleh pengaduk. Akan tetapi, desain
Multiple orifice ring sparger lebih direkomendasikan agar mendapatkan transfer massa yang
efisien.
Namun desain tersebut hanya sedikit lebih baik daripada Single orifice ring sparger
yang dipasang terpusat di bawah agitator. Untuk memastikan bahwa semua gas yang masuk
segera terdistribusi oleh impeller, jarak inlet dari bidang impeller biasanya lebih kecil dari D /
2 (D = diameter impeller).
Terlepas dari jenis impeller yang digunakan, untuk laju aliran gas yang diberikan
memasuki reaktor, proses aliran yang berbeda dapat diamati ketika kecepatan agitasi
ditingkatkan. Untuk enam impeller turbin cakram berbilah, 5 proses aliran dalam reaktor
dapat didefinisikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.3 (Nienow et al., 1978)
(A) Flooding: Pada kecepatan agitasi terendah (N) gas melewati daerah agitator sebagai
gelembung besar yang tidak pecah menjadi lebih kecil oleh agitator.
(B) First loading regime : ketika N meningkatkan, fase gas mulai tersebar dalam gelembung
kecil yang meliputi bagian utama reaktor di mana aliran gas dapat dimodelkan sebagai aliran
plug.
(c) Second Loading: Fasa gas didispersikan dalam gelembung yang lebih kecil dan lebih
kecil. Sebagian dari gelembung tersebut tertahan oleh kecepatan cairan ke bawah dan oleh
karena itu diresirkulasi ke daerah impeller. Beberapa gelembung kadang-kadang dapat masuk
ke bagian bawah reaktor yang hanya diisi oleh fase cair.
(D) Complete Aeration: Resirkulasi gas timbul dibagian atas maupun bagian bawah impeler.
Dispersi gas terjadi diseluruh volume reaktor.
(e) Secondary Recirculation: Proses yang tidak stabil dimana impeller kelebihan pasokan gas
dan loop resirkulasi gas sekunder muncul di dalam reaktor.
Dalam reaktor ini gas masuk melalui bagian bawah dari reaktor, terdispersi dalam
gelembung, dan kemudian mengalir ke atas, countercurrent dari aliran cairan. Missen
mengasumsi bahwa gas dalam keadaan Plug Flow dan cairan dalam keadaan Back Mix Flow.
Continuity equation for A in the gas phase (PF)
𝐺 𝑑𝑃𝑎
= 𝑁𝐴 (𝑧 = 0)𝑎𝑖′
𝑃 𝑑ℎ
Continuity equation for A in the bulk liquid phase (BMF)
𝐶𝐴 𝑖𝑛 𝑞𝑙 + 𝑎𝑖′ ∫ 𝑁𝐴 (𝑧 = 1)𝑑𝑉 = 𝐶𝐴 𝑜𝑢𝑡 𝑞𝑙 + (1 − ɛ𝑏 )(−𝑟𝐴 )𝑖𝑛𝑡 𝑉
Neraca massa overall
𝐺
𝐿
(𝑃𝐴𝑖𝑛 − 𝑃𝐴𝑜𝑢𝑡 ) = (𝐶𝐵𝑖𝑛 − 𝐶𝐵𝑜𝑢𝑡 ) + 𝐿(𝐶𝐴𝑜𝑢𝑡 − 𝐶𝐴𝑖𝑛 )
𝑃
𝑏
G
: laju alir total molar gas, mol m-2/s-1
P
: Tekanan total
L
: laju volumetrik total cairan,m3 m-2/s-1
Ca
: konsentrasi fasa cair A mol m-3
Cb
: konsentrasi fasa cair B mol m-3
Ya
: fraksi mol A dalam gas
Pa
: tekanan parsial A dalam gas
𝑎𝑖′
: interfacial area
ɛ𝑏
: Gas holdup
C. Skematik dan kegunaan reaktor
Reaktor tangki biasanya menggunakan agitasi mekanis untuk menghasilkan kontak
fase yang lebih intim, dengan satu fasa tersebar di fasa lain sebagai fase kontinu. Fasa gas
dapat dimasukkan melalui “sparger” yang terletak di bagian bawah tangki; ini adalah cincin
melingkar dari pipa ujung tertutup yang dilengkapi dengan sejumlah lubang sepanjang
panjangnya memungkinkan beberapa titik masuk untuk gas.
Reaktor tangki sangat cocok untuk reaksi yang membutuhkan penahanan cairan
besar atau waktu tinggal fase cair yang lama. Operasi mungkin berkelanjutan sehubungan
dengan kedua fase, atau mungkin semi kontinu (batch sehubungan dengan cairan). Pola aliran
paling sederhana untuk setiap fase adalah BMF. Reaktor dapat berupa satu tahap atau
multistage (Gambar 24.2), dan aliran untuk yang terakhir mungkin bersifat arus atau
berlawanan arah. Dalam kasus reaksi cair-cair, setiap tahap biasanya terdiri dari mixer
(dengan agitasi, untuk reaksi) dan pemukim (tanpa agitasi, untuk pemisahan dengan
gravitasi).
Reaktor tangki yang dilengkapi dengan agitator (pengaduk, impeler, turbin, dll.)
Digunakan secara luas untuk reaksi gas-cair, baik dalam industri proses kimia tradisional
maupun dalam bioteknologi. Mereka juga digunakan untuk reaksi gas-cair-padatan tiga fasa,
di mana fasa padat dapat berupa partikel katalis; dalam hal ini, mereka biasanya disebut
sebagai reaktor "bubur". Dibandingkan dengan reaktor tangki nonagitasi yang hanya
dilengkapi dengan spargers, reaktor tangki yang digerakkan secara mekanis memiliki
keuntungan dengan menyediakan area antarmuka yang lebih besar untuk perpindahan massa
yang lebih efisien.
Ini mengurangi kemungkinan keterbatasan transfer massa untuk suatu proses, suatu
keuntungan khususnya untuk sistem yang kental. Penyesuaian laju pengaduk dapat
mempengaruhi laju perpindahan massa. Pencampuran yang ditingkatkan juga memastikan
suhu yang hampir seragam di dalam kapal, keuntungan untuk memproses bahan yang peka
terhadap suhu, dan untuk mengontrol hasil produk dan selektivitas dalam sistem yang
kompleks. Kerugian utama adalah biaya energi yang dibutuhkan untuk agitasi. Selain itu,
karena karakteristik perpindahan massa terkait dengan karakteristik agitasi (mis., Laju
pengaduk), ada kesulitan peningkatan skala. Dengan demikian, studi percontohan pabrik
sering diperlukan untuk mendapatkan dasar untuk desain reaktor skala penuh. Untuk sistem
biologis, sensitivitas geser sel atau enzim dapat membatasi rentang laju pengaduk yang dapat
digunakan.
E. Kelebihan dan kekurangan
Dibandingkan dengan reaktor yang tidak teragitasi yang hanya dilengkapi dengan
spargers, reaktor tangki yang digerakkan secara mekanik memiliki :

Keuntungan Mechanical Agitated Tank Reactor
1. Memiliki area/luas antarmuka yang lebih besar untuk perpindahan massa yang lebih
efisien. Sehingga mengurangi kemungkinan batasan perpindahan massa untuk suatu
proses, suatu keuntungan khususnya untuk sistem yang kental. Penyesuaian laju
pengaduk dapat mempengaruhi laju perpindahan massa.
2. Pencampuran juga memastikan suhu yang hampir sama di seluruh permukaan.
3. Turbulensi tinggi sehingga diperoleh pencampuran yang efisien
4. Keuntungan untuk memproses bahan yang peka terhadap suhu, dan untuk mengontrol
hasil produk dan selektivitas dalam sistem yang kompleks.

Kerugian Mechanical Agitated Tank Reactor
1. Biaya energi yang dibutuhkan besar untuk agitasi. Selain itu, karena karakteristik
perpindahan massa terkait dengan karakteristik agitasi (misal Laju pengaduk), ada
kesulitan peningkatan skala. Oleh karena itu studi percontohan pabrik sering
diperlukan untuk mendapatkan dasar untuk desain reaktor skala penuh
2. Biaya modal tinggi sesuai dengan ukuran tangki dan biaya tambahan untuk agiator.
Reaktor tangki sangat cocok untuk reaksi yang membutuhkan penahanan cairan besar atau
waktu tinggal fase cair yang lama. Operasi dapat kontinu sehubungan dengan kedua fase,
atau mungkin semi kontinu, yaitu batch sehubungan dengan cairan.
DAFTAR PUSTAKA
Missen, R.1928.Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics.John Wiley and
Sons : New York
https://www.researchgate.net/publication/288231869_Bioreactor_Design ( diakses pada:
6April 2019, pukul 13.05 WIB)
Anand P.Dhanwani. Process Engineering: Agitation & Mixing. Dharmsinh Desai University.
Gujarat,India