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. ο· 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) πΊ πππ = ππ΄ (π§ = 0)ππ′ π πβ Continuity equation for A in the bulk liquid phase (BMF) πΆπ΄ ππ ππ + ππ′ ∫ ππ΄ (π§ = 1)ππ = πΆπ΄ ππ’π‘ ππ + (1 − Ιπ )(−ππ΄ )πππ‘ π Neraca massa overall πΊ πΏ (ππ΄ππ − ππ΄ππ’π‘ ) = (πΆπ΅ππ − πΆπ΅ππ’π‘ ) + πΏ(πΆπ΄ππ’π‘ − πΆπ΄ππ ) π π 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 ππ′ : interfacial area Ιπ : 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 : ο· 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. ο· 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
