rekayasa proses - lisani.staff.unja.ac.idlisani.staff.unja.ac.id/wp-content/uploads/sites/... · 2....
TRANSCRIPT
REKAYASA PROSES
LISANI,S.TP,MP
Dosen Teknologi Industri
Pertanian
Teknologi Pertanian
Universitas jambi
REAKTOR PEMROSES
Fungsi Reaktor Pemroses
Kegiatan proses :
1. Katalis
2. Kondisi lingkungan
Lingkungan optimal → proses optimal →
Wahana proses → Reaktor
Fungsi reaktor → memberikan lingkungan fisik sehingga
katalis dapat melakukan interaksi dengan lingkungan
dan bahan pereaksi yang dimasukkan kedalamnya.
Reaktor dapat berupa bejana sederhana yang dilengkapi
dengan berbagai alat pengendalian dengan sistem
komputer.
Yang harus diperhatikan dalam perancangan reaktor :
1. Bejana atau bentukan lain harus mampu
dioperasikan dalam waktu beberapa hari atau
berlangsung untuk waktu yang lama.
2. Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sehingga
dapat mencukupi kebutuhan proses. Untuk operasi
bioproses, pencampuran ini tidak boleh
mengganggu atau merusak sel (katalis).
3. Konsumsi energi untuk pengoperasian
reaktor harus dapat dibuat seminimal
mungkin.
4. Suatu sistem yang dapat mengendalikan
suhu dan pH harus merupakan bagian
dari perlengkapan reaktor.
5. Reaktor harus dilengkapi
juga dengan fasilitas
pengambilan contoh.
6. Proses evaporasi yang
terjadi perlu diupayakan
agar tidak berlebihan.
7. Bejana perlu dirancang
agar dapat dioperasikan
dengan jumlah kerja
minimal baik untuk
pengoperasian,
pemanenan produk,
pembersihan, dan
pemeliharaan.
8. Bejana atau bentukan
lain harus sesuai dengan
berbagai jenis proses.
9. Bejana harus dikonstruksi
sedemikian rupa sehingga
permukaan bagian
dalamnya halus.
10.Untuk memudahkan
penggandaan skala,
reaktor harus mempunyai
bentuk geometri serupa
antara yang berukuran
kecil dengan yang besar.
Skema sederhana reaktor tangki ideal beserta perlengkapannya
Faktor Produksi
Berbagai faktor produksi yang harus
dipertimbangkan dalam pemilihan reaktor :
1. Biaya dan penyediaan bahan baku dan katalis
2. Fasilitas perdagangan untuk produk dan bahan mentah
3. Ketersediaan dan mutu tenaga kerja
4. Keadaan pasar (penjualan stabil, pabrik tunggal,
penjualan berubah, pabrik fleksibel)
5. Biaya dan ketersediaan utilitas (listrik, uap, air)
6. Aturan kerja dan keselamatan
7. Undang-undang tentang pembatasan polusi lingkungan
8. Kemungkinan penggunaan secara ekonomis hasil samping
produk.
Sistem ideal :
Pada semua sistem terjadi pencampuran pereaksi dan
katalis secara sempurna dan seragam sehingga keadaan
reaksi dan taraf katalis merupakan suatu sistem yang
homogen.
Pemilahan Reaktor Pemroses
1. Jenis sistem reaktor :
a. Curah (batch) :
Pembentukan produk sejalan dengan
waktu (t). Pada reaksi isotermal laju
pembentukan produk merupakan fungsi dari
konsentrasi, digunakan pada proses
adiabatis.
b. Sinambung (continuous) :
1) Reaktor sinambung berupa
tangki teraduk (CSTR,
continuous stirred tank reactor)
→ reaktor tangki ideal (RTI)
2) Reaktor aliran sumbat (CPFR,
continuous plug flow reactor)
→ reaktor pipa ideal (RPI).
c. Semi sinambung atau curah
terumpani (fed-batch)
Umumnya digunakan untuk reaksi
gas dan cair, untuk mengendalikan
reaksi eksotermal yang sangat
tinggi dan untuk meningkatkan
perolehan reaksi
Rancangan dasar reaktor (a) curah (batch), (b) RPI, (c) RTI, (d) RTI-seri, (e) fed-batch, (f)
RPI-paralel, (g) RTI-paralel
2. Jenis fasa yang terlibat :
a. Reaktor homogen : terlibat satu fasa, umumnya gas
atau cair
b. Reaktor heterogen : melibatkan lebih dari satu fasa
bahan.
Contoh : gas-cair, gas-padatan,
cair-padatan dan
cair-padatan-gas.
Pemilahan lebih rinci reaktor yang didasarkan atas
homogen dan heterogen dibedakan sebagai berikut :
1) Fasa cair homogen hanya terdapat cairan yang larut
2) Fasa cair heterogen , melibatkan dua atau lebih cair
yang saling tak melarutkan
3) Reaksi curah dengan pereaksi berupa fasa gas
4) Reaksi antara cairan dengan padatan
5) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa
padatan
6) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa gas
7) Reaksi fasa gas homogen
8) Reaksi katalitik fasa gas heterogen
9) Reaksi non - katalik fasa gas heterogen
3. Susunan reaktor yang digunakan:
a. Reaktor seri
b. Reaktor sejajar (paralel)
4. Pengaruh panas reaksi yang terjadi :
a. Reaktor adiabatis :
Tidak ada panas yang ditambahkan atau terambil selama
berlangsung reaksi.
Digunakan pada reaksi-reaksi endotermis dan umumnya
dirancang pada sistem yang sederhana.
Reaktor adibatis
b. Reaktor isotermal (swakalor) :
Panas yang ditambahkan dan terambil cukup untuk
mempertahankan suhu agar terjaga konstan sepanjang proses.
Digunakan untuk reaksi pada suhu tinggi dan menghasilkan
produk bersuhu tinggi.
Jenis-jenis reaktor swakalor
(isothermal)
c. Reaktor dengan penukar panas :
Penambahan atau pengambilan panas selama reaksi, dan
suhu tak terjaga konstan.
Digunakan untuk reaksi yang non adiabatis.
Jenis-jenis reaktor dengan penukar panas (HE, heat exchanger)
Perilaku Kinetika reaktor ideal dan pengaruh pencampuran pada reaksi
orde pertama dan orde kedua.(a) reaktor curah; (b) reaktor pipa ideal
(RPI);(c) reaktor tangki ideal (RTI)
Tabel 1. Pengaruh pencampuran terhadap kinetika reaksi sederhana
CAo : konsentrasi pereaksi A awal
CBo : konsentrasi pereaksi B awal
Persamaan dalam Tabel 1 dapat digunakan untuk
menetapkan perolehan produk yang diinginkan (R):
1. Tentukan distribusi produk dalam reaktor curah pada
skala laboratorium atau pilot plant.
2. Gunakan persamaan yang tepat dari Tabel 1 dan susun
neraca bahan untuk menghitung tetapan laju reaksi, k
dari data curah.
3. Gunakan nilai k dan persamaan yang digunakan pada
langkah 2 untuk menghitung perolehan R pada nisbah
molar lain, dan hubungan nilai R terhadap nisbah umpan
(CBo/CAo) yang akan menghasilkan kurva reaktor pipa
ideal.
4. Hitung nilai perolehan R, dan gambarkan terhadap
nisbah umpan. Ini menghasilkan kurva untuk reaktor
pencampuran balik.
Kurva hubungan distribusi produk sebagai fungsi dari jenis reaktor
(Pipa ideal, RPI dan tangki ideal, RTI)
Pemilihan Reaktor
Proses skala besar → reaktor sinambung,
mempunyai kapasitas lebih besar
Proses dengan volume lebih kecil,
tahapan operasi yang kompleks, dan
waktu penanganan sangat lama → reaktor curah.
Proses sinambung → reaktor pipa → koil panjang, ikatan
pipa -pipa sejajar, tangki atau bejana teraduk, menara
kosong, berkemas atau berbaffle unggun, atau
mempunyai baffle.
Reaksi fasa tunggal dengan waktu lama → kumparan (coil)
tunggal → memberikan kecepatan tinggi dan sedikit
pencampuran balik.
Reaktor Katalitik
Digunakan industri kimia organik dan
bioindustri (biokatalis: enzim) → tipe
unggun tetap atau diam.
Partikel katalis berada dalam keadaan terimobilisasi dalam
bentuk unggun dan gas/cairan pereaksi mengalir melalui
unggun katalis tersebut.
Unggun katalis imobil dapat dipilah untuk jenis pipa dan
tangki. Dua kelemahan reaktor dengan pencampuran (RTI)
adalah :
1. Untuk tingkat konversi tertentu, jumlah katalis dan
ukuran reaktor yang diperlukan lebih besar ketimbang
reaktor pipa ideal (RPI).
2. Hasil akhir produk yang diinginkan tidak sebesar bila
menggunakan reaktor pipa ideal (RPI).
Pada reaktor katalitik dengan tipe
unggun-tetap umumnya lebih banyak
digunakan sistem pipa. Kelemahannya :
1. Sangat sulit untuk diopersikan pada proses dengan
perpindahan panas dari atau ke dalam unggun katalis
dengan kecepatan yang khusus untuk mencegah
perbedaan suhu dalam unggun atau pelet katalis.
2. Bila laju difusi melalui pori-pori pelet katalis rendah
dibandingkan laju reaksi, maka tidak mungkin untuk
menggunakan luasan katalis.
3. Pada regenerasi katalis secara berkala, biaya
regenerasi akan sangat mahal selama reaktor bekerja.
Contoh soal 1.
Dalam reaksi : A + B → R + S adalah reaksi fasa gas terjadi
dengan katalis suatu padatan, dengan persamaan laju :
r = k1PAPB
1 + k2 PA + k3 PR
Bila reaksi tersebut di atas dilakukan dalam suatu reaktor
unggun pipa tetap, dan beroperasi secara isotermal, pada
suhu 540 oC, berapa katalis yang diperukan untuk tingkat
konversi 95 %, dengan menggunakan nisbah umpan dan tak
ada daur ulang. Laju produksi adalah 1000 R per jam.
Reaktor bekerja pada tekanan 2 atm dan penurunan
tekanan diabaikan.
Penyelesaian :
Masalah seperti tersebut diatas, dipecahkan dengan tata
cara sebagai berikut :
1. Tentukan nilai-nilai tetapan laju reaksi k1, k2,k3 pada
suhu reaksi
2. Tentukan PA dan PB untuk berbagai nilai x (konversi)
dari 0-0.95, dengan menggunakan neraca bahan.
3. Hitung nilai nilai reaksi pada setiap harga x
4. Hubungkan 1/r terhadap x
5. Tentukan luasan daerah dibawah kurva 1/r vs x dari x=0
sampai dengan x=0.95 (tingkat konversi)
6. Daerah ini adalah merupakan nilai W/F yang diinginkan,
dengan F adalah laju umpan dan W adalah bobot katalis
yang diinginkan untuk konversi 95 %. Karena F diketahui
maka harga W dapat dihitung.
Bahan Konstruksi untuk Reaktor
1. Logam atau campuran :
Mild steel, Low alloys steel, Cast iron,
Stainless steel, Ni, Monel, Cu, Brass, Al,
Dural, Pb, Ti
2. Plastik :
Termoplastik (PVC,PE),
termosetting (poliester, epoxy-resin)
3. Karet :
Karet alami atau sintetik (hipalon, viton)
4. Keramik :
Kaca porselin, bata tahan asam, bata
dan semen refaktori
Sifat mekanik yang penting untuk bahan reaktor
meliputi :
1. Strength - tensile strength (daya tarik)
2. Stiffness - Modulus elastis (elastisitas)
3. Toughness
4. Hardness (kekerasan)
5. Pengaruh suhu (tinggi/rendah)
6. Ketahanan terhadap keausan
7. Persyaratan khusus : konduktivitas termal, ketahanan
elektris, sifat magnetik
8. Mudah pengerjaannya : pembentukan, penyambungan,
casting
9. Tersedia dalam jenis baku : lembaran, penghubung/
sambungan, tabung.
10. Biaya sebanding dengan tingkat penggunaan.
Sifat mekanik penting logam dan campuran
Tensil
Strength
(N/mm2)
0,1% Stress
Proof
(N/mm2)
Modulus
Elastisitas
(KN/mm2)
Hardness
Brincill
Bobot
Jenis
Mild steel
Low alloys steel
Cast iron
Stainless steel
Ni
Monel
Cu
Brass
Al
Dural
Pb
Ti
430
430-660
140-170
7540
500
650
200
400-600
80-150
400
30
500
220
230-460
200
130
170
60
130
150
350
210
210
140
210
170
110
115
70
70
15
110
100-200
130-200
150-250
160
80-150
120-250
30-100
100-200
30
100
5
150
7,9
7,9
7,2
8,0
8,9
8,8
8,9
8,6
2,7
2,7
11,3
4,5
Sifat umum untuk pengerjaan logam dan campuran ( Alloys )
Machining Kerja
panas
Kerja
dingin
Casting Penyam-
bungan
Suhu
(º C )
Mild steel
Low alloys steel
Cast iron
Stainless steel
Ni
Cu
Brass
Al
Dural
Pb
Ti
B
B
B
B
B
S
B
B
B
-
B
B
B
T
B
B
B
S
B
B
B
B
B
S
T
B
B
B
B
B
B
-
T
S
S
B
S
B
B
B
S
-
-
T
B
B
S/T
B
B
S
B
B
B
B
S
750
750
-
1050
1150
800
700
550
350
-
-
Keterangan B : Baik, S : Cukup baik, T : Tidak baik
Dalam pemilihan bahan untuk pengerjaan reaktor, faktor
biaya perlu diperhatikan.
Secara nisbi (relatif) nilai biaya berbagai jenis logam dan
paduan adalah sebagai berikut :
Carbon steel 1
Al-alloys (Mg) 4
Stainless steel 5
Incomel 12
Brass 10-15
Al 18
Monel 19
Cu 27
Ni 35
Peningkatan Skala (Scale-up) Reaktor
Peningkatan skala : perancangan dan penyusunan sistem
yang lebih besar (prototipe)
berdasarkan hasil percobaan dengan menggunakan
model yang berukuran lebih kecil.
Tiga fenomena penting :
1. Fenomena termodinamik
(tidak tergantung pada skala)
2. Fenomena kinetika mikro (tidak tergantung
pada skala)
3. Fenomena perpindahan (tergantung pada
skala).
Proses perpindahan dalam reaktor terjadi menurut dua
mekanisme perpindahan :
1. Pengaliran (konveksi)
2. Difusi (konduksi)
Fenomena yang berkaitan erat
dengan pengaliran dan difusi :
1. Gaya geser (shear)
2. Pencampuran
3. Perpindahan massa (Kla)
4. Perpindahan panas
5. Kinetika makro (suatu bentuk kinetika nyata dari
perpaduan kinetika mikro dan difusi, misalnya dalam
sistem imobilisasi )
Perancangan Bioreaktor
Kekompleksan bioreaktor dibanding reaktor
kimiawi terjadi karena sifat dan ciri mikroba,
seperti pertumbuhan, penyesuaian, peluruhan, dan
kepekaan terhadap gaya geser.
Secara teori perancangan suatu bioreaktor dapat
dilakukan dengan tahapan :
1. Perilaku galur terpilih (kinetika pertumbuhan dan
pembentukan produk) ditetapkan pada beragam
keadaan lingkungan antara lain konsentrasi unsur hara,
oksigen, dan gaya geser.
2. Berdasarkan hasil itu dipilih kondisi optimal untuk
pertumbuhan dan pembentukan produk.
3. Kinetika dimasukkan ke dalam neraca massa.
Namun tidak selalu tatacara tersebut berhasil dengan
mulus, karena :
1. Untuk menetapkan kinetika secara rinci diperlukan
percobaan cukup banyak dan berulang-ulang (ekstensif)
2. Pemecahan persamaan neraca-mikro untuk "semua
kasus" pada kondisi alir dan geometrik sederhana dalam
praktik adalah tidak mungkin.
3. Kondisi lingkungan optimal acapkali
merupakan nilai peubah operasional yang
saling bergantungan (sebagai contoh adanya
gaya geser menyebabkan nilai P/V tinggi untuk
perpindahan massa, sebaliknya rendah untuk sel
mikroba)
Skala
Penuh
Reaktor skala penuh
(yang ada/ rancangan
awal)
Penerapan
pada skala
penuh
Skala
Kecil
Simulasi pada skala kecil
Kondisi lingkungan
Pemilihan galur
optimasi kondisi
lingkungan
Tata cara pengecilan skala (Kossen dan Oosterhius, 1985)
Teknik lain dalam perancangan bioreaktor → teknik
pengecilan ukuran (scale-down) berdasarkan pendekatan
lingkungan.
Metoda untuk meningkatkan skala reaktor, yaitu :
1. Metoda dasar (pemecahan neraca mikro untuk
perpindahan momentum, massa, dan panas)
2. Metoda semi-dasar (pemecahan neraca
disederhanakan)
3. Analisis dimensional (termasuk analisis regime)
4. Kaidah ibu jari (rules of thumb)
5. Coba-coba (trial and error)
1. Metoda Dasar
Metoda dasar digunakan untuk sistem yang
paling sederhana. Sifat :
1) Kondisi aliran jelas (misal aliran
laminar)
2) Tidak ada aliran (contoh difusi nutrien pada
pelapisan mikroba yang diam).
Dalam metoda dasar, neraca mikro digunakan untuk
perpindahan momentum, massa, dan panas.
Jika neraca mikro digunakan dalam perancangan
reaktor, maka terdapat sejumlah kesulitan :
1) Bila neraca diterapkan untuk bejana
berpengaduk, maka harus menggunakan komponen
perpindahan dalam tiga arah dengan kondisi-
kondisi batas (boundary) yang sangat kompleks.
2) Neraca bersifat ganda. Artinya pemecahan neraca
momentum menghasilkan komponen alir yang
harus digunakan dalam neraca massa dan panas
3) Neraca momentum umumnya digunakan untuk zat
alir serba sama (homogen) yang sangat tidak
realistik untuk cairan fermentasi aerob.
Penerapan penting neraca mikro adalah pada sistem
imobilisasi mikroba. Bila perilaku lapisan tipis
diketahui, maka peningkatan ketebalan lapisan dapat
diperkirakan.
2. Metoda Semi-Dasar
Metoda ini didasarkan pada penggunaan persamaan
aliran yang disederhanakan. Tiga model aliran yang
banyak digunakan adalah :
1) Aliran piston (plug flow)
2) Aliran piston dengan dispersi
3) Aliran tercampur baik: satu tangki atau rangkaian
beberapa tangki.
3. Analisis Dimensional (AD)
Metoda analisis dimensional merupakan teknik yang
menggunakan bilangan nirmatra (tidak berdimensi) sebagai
parameter dalam perancangan reaktor.
Beberapa pembatasan metoda analisis dimensional :
1) Kadang-kadang tidak mungkin mempertahankan semua gugus tidak
berdimensi tetap selama peningkatan skala, sehingga suatu gugus
menentukan gugus yang paling penting dan mengabaikan yang lain
(analisis regim).
2) Penerapan AD kadang-kadang membawa keadaan yang secara
teknik tidak realistik (antara lain penggunaan tenaga dan
kecepatan pengaduk sangat tinggi)
3) Beberapa sistem bersifat otonom. Misalnya ukuran gelembung
dalam sistem koalesensi adalah tak bergayut terhadap ukuran dan
kondisi proses sehingga tidak sesuai dengan prinsip dasar AD
(kesamaan geometrik).
4) Pemilihan parameter dalam AD tidak selalu dapat dilakukan.
Bila pada keadaan awal neraca momentum, massa, panas,
dan batas (boundary) nya ditulis dalam bentuk nirmatra
(tidak berdimensi), maka sejumlah bilangan nirmatra
akan muncul dengan sendirinya.
Dipilah menurut kelompok :
1) Parameter geometri (D, H, dp)
2) Sifat zat alir/padatan/gas (, , )
3) Peubah proses ( N, P,v)
4) Tetapan bermatra (g, R)
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)
Catatan :
a) menunjukkan bahwa D atau berkaitan dengan fasa terdispersi
b) untuk bejana berpengaduk
4. Kaidah Ibu Jari
Einsele (1978) menemukan sejumlah kaidah peningkatan
skala yang digunakan oleh beberapa industri fermentasi
di Eropa yang merupakan penerapan dari kaidah ibu jari
(Tabel 2).
Patokan itu berhubungan dan mengacu pada
perpindahan oksigen (po2 adalah fungsi dari Kla yang
merupakan fungsi dari P/V ).
Tabel 2. Penggunaan patokan peningkatan skala dalam industri
fermentasi
Persentase Industri
Yang menggunakan
Patokan Peningkatan Skala
Yang Digunakan
30
30
20
20
tetapan P/V
tetapan Kla
tetapan Vip
tetapan Po2
5. Coba-coba (trial and error )
Coba-coba pada perkembangan
kebudayaan manusia merupakan
metode untuk meningkatkan
proses.
Saat ini metoda coba-coba masih
banyak digunakan dalam
optimasi proses.
Sebaliknya dalam peningkatan
skala sudah jarang atau bahkan
tidak digunakan lagi.
Suatu pilot-plant yang baik adalah "pabrik yang
diperkecil" bukan "peningkatan percobaan
laboratorium".
Beberapa aspek produksi yang diperlukan dalam
perancangan pabrik skala penuh antara lain :
1. Efek jangka panjang (korosi, akumulasi selama
pendaurulangan, dan lain-lain) dari bahan reaktor
yang digunakan
2. Pengendalian proses
3. Produksi batch
4. Uji untuk pemasaran
5. Demonstrasi proses
Persamaa
n
Neraca
diketahui
Semua
Paramet
er
diketahui
tidak
ya
Penelitian
Untuk parameterAnalisis
dimensional
Pemecahan
analiktik
Pemecaha
n
dengan
komputer
Pecahkan
persamaan
neraca
Penetapan "regim"
Penelitian
Skala kecil
Kaidah peningkatan
Skala tentatif
Penelitian
lanjut
Kaidah peningkatan
Skala tentatif
tidak
ya
ya
tidak
tidak
Masalah peningkatan
Skala
ya
Diagram alir penentuan peningkatan skala reaktor
Contoh Soal 2.
Dalam rangka untuk pendayagunaan hasil pertanian, oleh suatu tim
di lakukan kajian pengembangan proses produksi vanilin dari bahan
baku eugenol (yang terlebih dahulu diekstrak dari minyak Daun
Cengkeh).
Proses yang dipilih : Isomerasi eugenol menjadi iso-eugenol yang
dilakukan dalam suatu bejana, pada suhu 160ºC dengan
penambahan larutan KOH (10%).
Isoeugenol yang terbentuk dioksidasi dengan bantuan suatu
oksidator, yakni Notrobenzena (C6H5N02) dan terbentuk Vanilin
tercampur dalam larutan alkalis.
Penambahan asam khlorida akan mengendapkan Vanilin tersebut
yang selanjutnya dapat dipisahkan.
Tahapan paling kritis dalam pembentukan Vanilin adalah reaksi
oksidasi dari Iso-eugenol menjadi Vanilin. Oleh karenanya tim
pengaji, melakukan percobaan pada tahap reaksi ini lebih rinci.
OH
OCH3
KOH
CH2CH=CH2
OH
OCH3
CH=CHCH3
C6H5NO2
OH
OCH3
CHO
Reaksi :
Eugenol Isoeugenol Vanilin
1. Berdasarkan informasi awal tersebut, susunlah suatu diagram alir
yang juga menggambarkan peralatan yang diperlukan (nantinya).
2. Kajian oksidasi isoeugenol menjadi Vanilin, dilakukan secara
curah/batch untuk mengetahui pola atau kinerja reaksi oksidasi
tersebut. Konsentrasi isoeugenol : 15M, konsentrasi Nitrobenzena :
10M. Pemantauan hasil reaksi produksi (Vanilin) diperoleh hasil sbb :
Waktu
( Menit )
Vanilin
( Molar )
0 0
1 3.97
2 5.12
3 5.95
4 6.61
5 7.10
6 7.52
Berdasarkan hasil tersebut, parameter apa yang dapat anda
tentukan untuk perancangan proses lebih lanjut.
3. Apabila reaksi oksidasi tersebut kemudian akan diterapkan
dalam proses produksi, dan Anda diminta untuk memilih jenis
reaktor yang akan digunakan, mana yang menurut anda paling
ekonomis :
( Proses akan dilakukan secara kontinyu )
- Reaktor Tangki Ideal (RTI)
- Reaktor Pipa Ideal (RPI)
Apabila diinginkan derajat konversi sebesar 80 %, tunjukkan
berapa perbedaan waktu proses/ waktu tinggal kedua reaktor
tersebut.
4. Pada evaluasi lebih lanjut, akan dipilih reaktor piston sebagai
wahana reaksi pembuatan Vanilin dan untuk itu dilakukan
pengajian tentang kemungkinan skala untuk skala 'pilot plant'
maupun untuk tujuan/skala industri.
Percobaan dilaboratorium dikerjakan pada reaktor dengan
ukuran :
- Diameter (d¡) : 5 cm dan panjang (1) : 50 cm
- Sifat larutan yang terukur antara lain :
densitas (p) : 1000 kg/m³
Kecepatan alir (U) : 160 cm/menit
Viskositas : 20 cp (0.020 N detik/m²)
- Reaktor tersebut mampu bekerja pada perolehan 0.5 kg
produk/ l larutan /menit.
Kini akan dirancang suatu reaktor sama dengan kapasitas 300
kg/jam Apakah reaktor dengan ukuran diameter 5 cm dan
panjang 500 cm layak dan memenuhi persyaratan untuk
bekerja dengan kapasitas yang diinginkan ?
Beberapa hubungan/ rumus antara lain disediakan berikut
(Kalau dipandang perlu Anda boleh menggunakan
rumus/hubungan lain) :
JH=C/(Uld¡) 0.675
(I2/d¡2) C2/(U¡2d¡2) 0.675 = ( I¡/d¡)CI /C(U¡Id¡I)0.675
C2(U¡2/U¡I)0.325=CI(d¡2/d¡I)1.675
JH: faktor perpindahan massa
C: tetapan tak berdimensi.
Hubungan antara C dan panjang pipa
(diameter 5 cm) disajikan pada
gambar berikut
Penyelesaian :
1. Penyusunan diagram alir proses, dari bahan dasar eugenol menjadi
vanilin
2. Reaksi :
isoeugenol + nitrobenzenza vanilin + etilnitrobenzena
A + B P + R
Laju reaksi pembentukan vanilin, rp = dcp = - rA=dCt
dt dt
-rA=kCA.CB
k ditetapkan dengan memplot :
1 ln CAo (CAo-CP) . vs kt.
CAo-CBo CAo(CAo-CP)
CAo : 5M
CBo :10M
T,
( Menit )
Vanilin
(CP),M
1 In CAo (CAo-CP)
CAo-CBo CAo(CAo-CP)
0 0 0
1 3.97 0.04
2 5.12 0.06
3 5.95 0.08
4 6.61 0.10
5 7.10 0.12
6 7.52 014
1 2 3 4 5 6 7 8
16
14
12
10
8
6
4
2
0
K= 0.023 mol/menit
Cb
o (
CA
o -
Cp
)
X10-2
CA.CP
CB.CR
CA0
CB0
3. Pemilihan Reaktor :
a. RTI :
Komponen A.
Q CAo - V rA = Q CA + d ( VCA ) = 0
dt
Dalam keadaan tunak : d ( VCA ) = 0
dt
CAo = 30 M Konversi 80 %
CB0 = 25 M
Cp = 0.80 X 30 = 24 M
Jadi CA= 30-24 = 6M
Banyaknya B yang digunakan
untuk pembentukan P juga 24 M
Jadi CB= 25-24=1M
Disusun neraca Massa
z = V = (CAo -CA)
Q rA
= (CAo - CA )
KCA.CB
= (30 - 6 ) = 173.9 Menit
(0.23) (6) (1)
= 2.9 Jam
b. RPI :
CAV CAV V
CAo
CBo
CA, CP
CB, CR
dV
Integrasi menghasilkan :
- kCB . V = In CA/CAo V = 1 In CA/CAo
Q Q -k CB
Z = 1 In 6/30
(-0.023) (1)
Z = 70 Menit = 1.2 jam
Berdasarkan tersebut akan lebih ekonomis dipih reaktor jenis RPI
yang = 2.5 kali lebih cepat.
Lihat Komponen A :
QCAv - rA dV = Q CAv + QdCA
- KCA.CB dV = QdCA
- KCB.dV = dCA
Q CA
4. Penggandaan skala :
- Ukuran/reaktor laboratorium :
di1 = 5 cm = li1 = 50 cm (0.5m)
" Scale Up " : di2 = 5 cm li2 = 500 cm (5m)
Jadi digandakan : 10 kali
- Kapasitas produksi : 0.5 kg produk/menit
Kapasitas produksi ”Sacle up”:
300 kg produk/jam atau 5 kg/menit
C2 (Ui2/Ui1) 0.325 = C1 (di2/di1) 1.675
di1 = di2 =5cm → C1=C2 (Ui2/Ui1) 0.325
C2 dicari dari kurva untuk I2 = 5M C = 0.335
C1 = 0.335 (10.Ui2/Ui1 ) 0.325 = (0.335)(2.113)=0.708
Berdasakan kurva untuk li = 0.5 C1 = 065-068
Jadi ukuran reaktor yang dirancang kurang/tidak layak.
TERIMA KASIH
REAKTOR PEMROSES
Fungsi Reaktor Pemroses
Kegiatan proses :
1. Katalis
2. Kondisi lingkungan
Lingkungan optimal → proses optimal →
Wahana proses → Reaktor
Fungsi reaktor → memberikan lingkungan fisik sehingga
katalis dapat melakukan interaksi dengan lingkungan
dan bahan pereaksi yang dimasukkan kedalamnya.
Reaktor dapat berupa bejana sederhana yang dilengkapi
dengan berbagai alat pengendalian dengan sistem
komputer.
Yang harus diperhatikan dalam perancangan reaktor :
1. Bejana atau bentukan lain harus mampu
dioperasikan dalam waktu beberapa hari atau
berlangsung untuk waktu yang lama.
2. Aerasi dan agitasi harus dapat diatur sehingga
dapat mencukupi kebutuhan proses. Untuk operasi
bioproses, pencampuran ini tidak boleh
mengganggu atau merusak sel (katalis).
3. Konsumsi energi untuk pengoperasian
reaktor harus dapat dibuat seminimal
mungkin.
4. Suatu sistem yang dapat mengendalikan
suhu dan pH harus merupakan bagian
dari perlengkapan reaktor.
5. Reaktor harus dilengkapi
juga dengan fasilitas
pengambilan contoh.
6. Proses evaporasi yang
terjadi perlu diupayakan
agar tidak berlebihan.
7. Bejana perlu dirancang
agar dapat dioperasikan
dengan jumlah kerja
minimal baik untuk
pengoperasian,
pemanenan produk,
pembersihan, dan
pemeliharaan.
8. Bejana atau bentukan
lain harus sesuai dengan
berbagai jenis proses.
9. Bejana harus dikonstruksi
sedemikian rupa sehingga
permukaan bagian
dalamnya halus.
10.Untuk memudahkan
penggandaan skala,
reaktor harus mempunyai
bentuk geometri serupa
antara yang berukuran
kecil dengan yang besar.
Skema sederhana reaktor tangki ideal beserta perlengkapannya
Faktor Produksi
Berbagai faktor produksi yang harus
dipertimbangkan dalam pemilihan reaktor :
1. Biaya dan penyediaan bahan baku dan katalis
2. Fasilitas perdagangan untuk produk dan bahan mentah
3. Ketersediaan dan mutu tenaga kerja
4. Keadaan pasar (penjualan stabil, pabrik tunggal,
penjualan berubah, pabrik fleksibel)
5. Biaya dan ketersediaan utilitas (listrik, uap, air)
6. Aturan kerja dan keselamatan
7. Undang-undang tentang pembatasan polusi lingkungan
8. Kemungkinan penggunaan secara ekonomis hasil samping
produk.
Sistem ideal :
Pada semua sistem terjadi pencampuran pereaksi dan
katalis secara sempurna dan seragam sehingga keadaan
reaksi dan taraf katalis merupakan suatu sistem yang
homogen.
Pemilahan Reaktor Pemroses
1. Jenis sistem reaktor :
a. Curah (batch) :
Pembentukan produk sejalan dengan
waktu (t). Pada reaksi isotermal laju
pembentukan produk merupakan fungsi dari
konsentrasi, digunakan pada proses
adiabatis.
b. Sinambung (continuous) :
1) Reaktor sinambung berupa
tangki teraduk (CSTR,
continuous stirred tank reactor)
→ reaktor tangki ideal (RTI)
2) Reaktor aliran sumbat (CPFR,
continuous plug flow reactor)
→ reaktor pipa ideal (RPI).
c. Semi sinambung atau curah
terumpani (fed-batch)
Umumnya digunakan untuk reaksi
gas dan cair, untuk mengendalikan
reaksi eksotermal yang sangat
tinggi dan untuk meningkatkan
perolehan reaksi
Rancangan dasar reaktor (a) curah (batch), (b) RPI, (c) RTI, (d) RTI-seri, (e) fed-batch, (f)
RPI-paralel, (g) RTI-paralel
2. Jenis fasa yang terlibat :
a. Reaktor homogen : terlibat satu fasa, umumnya gas
atau cair
b. Reaktor heterogen : melibatkan lebih dari satu fasa
bahan.
Contoh : gas-cair, gas-padatan,
cair-padatan dan
cair-padatan-gas.
Pemilahan lebih rinci reaktor yang didasarkan atas
homogen dan heterogen dibedakan sebagai berikut :
1) Fasa cair homogen hanya terdapat cairan yang larut
2) Fasa cair heterogen , melibatkan dua atau lebih cair
yang saling tak melarutkan
3) Reaksi curah dengan pereaksi berupa fasa gas
4) Reaksi antara cairan dengan padatan
5) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa
padatan
6) Reaksi fasa cair yang membentuk produk berupa gas
7) Reaksi fasa gas homogen
8) Reaksi katalitik fasa gas heterogen
9) Reaksi non - katalik fasa gas heterogen
3. Susunan reaktor yang digunakan:
a. Reaktor seri
b. Reaktor sejajar (paralel)
4. Pengaruh panas reaksi yang terjadi :
a. Reaktor adiabatis :
Tidak ada panas yang ditambahkan atau terambil selama
berlangsung reaksi.
Digunakan pada reaksi-reaksi endotermis dan umumnya
dirancang pada sistem yang sederhana.
Reaktor adibatis
b. Reaktor isotermal (swakalor) :
Panas yang ditambahkan dan terambil cukup untuk
mempertahankan suhu agar terjaga konstan sepanjang proses.
Digunakan untuk reaksi pada suhu tinggi dan menghasilkan
produk bersuhu tinggi.
Jenis-jenis reaktor swakalor
(isothermal)
c. Reaktor dengan penukar panas :
Penambahan atau pengambilan panas selama reaksi, dan
suhu tak terjaga konstan.
Digunakan untuk reaksi yang non adiabatis.
Jenis-jenis reaktor dengan penukar panas (HE, heat exchanger)
Perilaku Kinetika reaktor ideal dan pengaruh pencampuran pada reaksi
orde pertama dan orde kedua.(a) reaktor curah; (b) reaktor pipa ideal
(RPI);(c) reaktor tangki ideal (RTI)
Tabel 1. Pengaruh pencampuran terhadap kinetika reaksi sederhana
CAo : konsentrasi pereaksi A awal
CBo : konsentrasi pereaksi B awal
Persamaan dalam Tabel 1 dapat digunakan untuk
menetapkan perolehan produk yang diinginkan (R):
1. Tentukan distribusi produk dalam reaktor curah pada
skala laboratorium atau pilot plant.
2. Gunakan persamaan yang tepat dari Tabel 1 dan susun
neraca bahan untuk menghitung tetapan laju reaksi, k
dari data curah.
3. Gunakan nilai k dan persamaan yang digunakan pada
langkah 2 untuk menghitung perolehan R pada nisbah
molar lain, dan hubungan nilai R terhadap nisbah umpan
(CBo/CAo) yang akan menghasilkan kurva reaktor pipa
ideal.
4. Hitung nilai perolehan R, dan gambarkan terhadap
nisbah umpan. Ini menghasilkan kurva untuk reaktor
pencampuran balik.
Kurva hubungan distribusi produk sebagai fungsi dari jenis reaktor
(Pipa ideal, RPI dan tangki ideal, RTI)
Pemilihan Reaktor
Proses skala besar → reaktor sinambung,
mempunyai kapasitas lebih besar
Proses dengan volume lebih kecil,
tahapan operasi yang kompleks, dan
waktu penanganan sangat lama → reaktor curah.
Proses sinambung → reaktor pipa → koil panjang, ikatan
pipa -pipa sejajar, tangki atau bejana teraduk, menara
kosong, berkemas atau berbaffle unggun, atau
mempunyai baffle.
Reaksi fasa tunggal dengan waktu lama → kumparan (coil)
tunggal → memberikan kecepatan tinggi dan sedikit
pencampuran balik.
Reaktor Katalitik
Digunakan industri kimia organik dan
bioindustri (biokatalis: enzim) → tipe
unggun tetap atau diam.
Partikel katalis berada dalam keadaan terimobilisasi dalam
bentuk unggun dan gas/cairan pereaksi mengalir melalui
unggun katalis tersebut.
Unggun katalis imobil dapat dipilah untuk jenis pipa dan
tangki. Dua kelemahan reaktor dengan pencampuran (RTI)
adalah :
1. Untuk tingkat konversi tertentu, jumlah katalis dan
ukuran reaktor yang diperlukan lebih besar ketimbang
reaktor pipa ideal (RPI).
2. Hasil akhir produk yang diinginkan tidak sebesar bila
menggunakan reaktor pipa ideal (RPI).
Pada reaktor katalitik dengan tipe
unggun-tetap umumnya lebih banyak
digunakan sistem pipa. Kelemahannya :
1. Sangat sulit untuk diopersikan pada proses dengan
perpindahan panas dari atau ke dalam unggun katalis
dengan kecepatan yang khusus untuk mencegah
perbedaan suhu dalam unggun atau pelet katalis.
2. Bila laju difusi melalui pori-pori pelet katalis rendah
dibandingkan laju reaksi, maka tidak mungkin untuk
menggunakan luasan katalis.
3. Pada regenerasi katalis secara berkala, biaya
regenerasi akan sangat mahal selama reaktor bekerja.
Contoh soal 1.
Dalam reaksi : A + B → R + S adalah reaksi fasa gas terjadi
dengan katalis suatu padatan, dengan persamaan laju :
r = k1PAPB
1 + k2 PA + k3 PR
Bila reaksi tersebut di atas dilakukan dalam suatu reaktor
unggun pipa tetap, dan beroperasi secara isotermal, pada
suhu 540 oC, berapa katalis yang diperukan untuk tingkat
konversi 95 %, dengan menggunakan nisbah umpan dan tak
ada daur ulang. Laju produksi adalah 1000 R per jam.
Reaktor bekerja pada tekanan 2 atm dan penurunan
tekanan diabaikan.
Penyelesaian :
Masalah seperti tersebut diatas, dipecahkan dengan tata
cara sebagai berikut :
1. Tentukan nilai-nilai tetapan laju reaksi k1, k2,k3 pada
suhu reaksi
2. Tentukan PA dan PB untuk berbagai nilai x (konversi)
dari 0-0.95, dengan menggunakan neraca bahan.
3. Hitung nilai nilai reaksi pada setiap harga x
4. Hubungkan 1/r terhadap x
5. Tentukan luasan daerah dibawah kurva 1/r vs x dari x=0
sampai dengan x=0.95 (tingkat konversi)
6. Daerah ini adalah merupakan nilai W/F yang diinginkan,
dengan F adalah laju umpan dan W adalah bobot katalis
yang diinginkan untuk konversi 95 %. Karena F diketahui
maka harga W dapat dihitung.
Bahan Konstruksi untuk Reaktor
1. Logam atau campuran :
Mild steel, Low alloys steel, Cast iron,
Stainless steel, Ni, Monel, Cu, Brass, Al,
Dural, Pb, Ti
2. Plastik :
Termoplastik (PVC,PE),
termosetting (poliester, epoxy-resin)
3. Karet :
Karet alami atau sintetik (hipalon, viton)
4. Keramik :
Kaca porselin, bata tahan asam, bata
dan semen refaktori
Sifat mekanik yang penting untuk bahan reaktor
meliputi :
1. Strength - tensile strength (daya tarik)
2. Stiffness - Modulus elastis (elastisitas)
3. Toughness
4. Hardness (kekerasan)
5. Pengaruh suhu (tinggi/rendah)
6. Ketahanan terhadap keausan
7. Persyaratan khusus : konduktivitas termal, ketahanan
elektris, sifat magnetik
8. Mudah pengerjaannya : pembentukan, penyambungan,
casting
9. Tersedia dalam jenis baku : lembaran, penghubung/
sambungan, tabung.
10. Biaya sebanding dengan tingkat penggunaan.
Sifat mekanik penting logam dan campuran
Tensil
Strength
(N/mm2)
0,1% Stress
Proof
(N/mm2)
Modulus
Elastisitas
(KN/mm2)
Hardness
Brincill
Bobot
Jenis
Mild steel
Low alloys steel
Cast iron
Stainless steel
Ni
Monel
Cu
Brass
Al
Dural
Pb
Ti
430
430-660
140-170
7540
500
650
200
400-600
80-150
400
30
500
220
230-460
200
130
170
60
130
150
350
210
210
140
210
170
110
115
70
70
15
110
100-200
130-200
150-250
160
80-150
120-250
30-100
100-200
30
100
5
150
7,9
7,9
7,2
8,0
8,9
8,8
8,9
8,6
2,7
2,7
11,3
4,5
Sifat umum untuk pengerjaan logam dan campuran ( Alloys )
Machining Kerja
panas
Kerja
dingin
Casting Penyam-
bungan
Suhu
(º C )
Mild steel
Low alloys steel
Cast iron
Stainless steel
Ni
Cu
Brass
Al
Dural
Pb
Ti
B
B
B
B
B
S
B
B
B
-
B
B
B
T
B
B
B
S
B
B
B
B
B
S
T
B
B
B
B
B
B
-
T
S
S
B
S
B
B
B
S
-
-
T
B
B
S/T
B
B
S
B
B
B
B
S
750
750
-
1050
1150
800
700
550
350
-
-
Keterangan B : Baik, S : Cukup baik, T : Tidak baik
Dalam pemilihan bahan untuk pengerjaan reaktor, faktor
biaya perlu diperhatikan.
Secara nisbi (relatif) nilai biaya berbagai jenis logam dan
paduan adalah sebagai berikut :
Carbon steel 1
Al-alloys (Mg) 4
Stainless steel 5
Incomel 12
Brass 10-15
Al 18
Monel 19
Cu 27
Ni 35
Peningkatan Skala (Scale-up) Reaktor
Peningkatan skala : perancangan dan penyusunan sistem
yang lebih besar (prototipe)
berdasarkan hasil percobaan dengan menggunakan
model yang berukuran lebih kecil.
Tiga fenomena penting :
1. Fenomena termodinamik
(tidak tergantung pada skala)
2. Fenomena kinetika mikro (tidak tergantung
pada skala)
3. Fenomena perpindahan (tergantung pada
skala).
Proses perpindahan dalam reaktor terjadi menurut dua
mekanisme perpindahan :
1. Pengaliran (konveksi)
2. Difusi (konduksi)
Fenomena yang berkaitan erat
dengan pengaliran dan difusi :
1. Gaya geser (shear)
2. Pencampuran
3. Perpindahan massa (Kla)
4. Perpindahan panas
5. Kinetika makro (suatu bentuk kinetika nyata dari
perpaduan kinetika mikro dan difusi, misalnya dalam
sistem imobilisasi )
Perancangan Bioreaktor
Kekompleksan bioreaktor dibanding reaktor
kimiawi terjadi karena sifat dan ciri mikroba,
seperti pertumbuhan, penyesuaian, peluruhan, dan
kepekaan terhadap gaya geser.
Secara teori perancangan suatu bioreaktor dapat
dilakukan dengan tahapan :
1. Perilaku galur terpilih (kinetika pertumbuhan dan
pembentukan produk) ditetapkan pada beragam
keadaan lingkungan antara lain konsentrasi unsur hara,
oksigen, dan gaya geser.
2. Berdasarkan hasil itu dipilih kondisi optimal untuk
pertumbuhan dan pembentukan produk.
3. Kinetika dimasukkan ke dalam neraca massa.
Namun tidak selalu tatacara tersebut berhasil dengan
mulus, karena :
1. Untuk menetapkan kinetika secara rinci diperlukan
percobaan cukup banyak dan berulang-ulang (ekstensif)
2. Pemecahan persamaan neraca-mikro untuk "semua
kasus" pada kondisi alir dan geometrik sederhana dalam
praktik adalah tidak mungkin.
3. Kondisi lingkungan optimal acapkali
merupakan nilai peubah operasional yang
saling bergantungan (sebagai contoh adanya
gaya geser menyebabkan nilai P/V tinggi untuk
perpindahan massa, sebaliknya rendah untuk sel
mikroba)
Skala
Penuh
Reaktor skala penuh
(yang ada/ rancangan
awal)
Penerapan
pada skala
penuh
Skala
Kecil
Simulasi pada skala kecil
Kondisi lingkungan
Pemilihan galur
optimasi kondisi
lingkungan
Tata cara pengecilan skala (Kossen dan Oosterhius, 1985)
Teknik lain dalam perancangan bioreaktor → teknik
pengecilan ukuran (scale-down) berdasarkan pendekatan
lingkungan.
Metoda untuk meningkatkan skala reaktor, yaitu :
1. Metoda dasar (pemecahan neraca mikro untuk
perpindahan momentum, massa, dan panas)
2. Metoda semi-dasar (pemecahan neraca
disederhanakan)
3. Analisis dimensional (termasuk analisis regime)
4. Kaidah ibu jari (rules of thumb)
5. Coba-coba (trial and error)
1. Metoda Dasar
Metoda dasar digunakan untuk sistem yang
paling sederhana. Sifat :
1) Kondisi aliran jelas (misal aliran
laminar)
2) Tidak ada aliran (contoh difusi nutrien pada
pelapisan mikroba yang diam).
Dalam metoda dasar, neraca mikro digunakan untuk
perpindahan momentum, massa, dan panas.
Jika neraca mikro digunakan dalam perancangan
reaktor, maka terdapat sejumlah kesulitan :
1) Bila neraca diterapkan untuk bejana
berpengaduk, maka harus menggunakan komponen
perpindahan dalam tiga arah dengan kondisi-
kondisi batas (boundary) yang sangat kompleks.
2) Neraca bersifat ganda. Artinya pemecahan neraca
momentum menghasilkan komponen alir yang
harus digunakan dalam neraca massa dan panas
3) Neraca momentum umumnya digunakan untuk zat
alir serba sama (homogen) yang sangat tidak
realistik untuk cairan fermentasi aerob.
Penerapan penting neraca mikro adalah pada sistem
imobilisasi mikroba. Bila perilaku lapisan tipis
diketahui, maka peningkatan ketebalan lapisan dapat
diperkirakan.
2. Metoda Semi-Dasar
Metoda ini didasarkan pada penggunaan persamaan
aliran yang disederhanakan. Tiga model aliran yang
banyak digunakan adalah :
1) Aliran piston (plug flow)
2) Aliran piston dengan dispersi
3) Aliran tercampur baik: satu tangki atau rangkaian
beberapa tangki.
3. Analisis Dimensional (AD)
Metoda analisis dimensional merupakan teknik yang
menggunakan bilangan nirmatra (tidak berdimensi) sebagai
parameter dalam perancangan reaktor.
Beberapa pembatasan metoda analisis dimensional :
1) Kadang-kadang tidak mungkin mempertahankan semua gugus tidak
berdimensi tetap selama peningkatan skala, sehingga suatu gugus
menentukan gugus yang paling penting dan mengabaikan yang lain
(analisis regim).
2) Penerapan AD kadang-kadang membawa keadaan yang secara
teknik tidak realistik (antara lain penggunaan tenaga dan
kecepatan pengaduk sangat tinggi)
3) Beberapa sistem bersifat otonom. Misalnya ukuran gelembung
dalam sistem koalesensi adalah tak bergayut terhadap ukuran dan
kondisi proses sehingga tidak sesuai dengan prinsip dasar AD
(kesamaan geometrik).
4) Pemilihan parameter dalam AD tidak selalu dapat dilakukan.
Bila pada keadaan awal neraca momentum, massa, panas,
dan batas (boundary) nya ditulis dalam bentuk nirmatra
(tidak berdimensi), maka sejumlah bilangan nirmatra
akan muncul dengan sendirinya.
Dipilah menurut kelompok :
1) Parameter geometri (D, H, dp)
2) Sifat zat alir/padatan/gas (, , )
3) Peubah proses ( N, P,v)
4) Tetapan bermatra (g, R)
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)
Bilangan nirmatra (tak berdimensi) yang dapat digunakan untuk
kajian peningkatan skala reaktor (lanjutan)
Catatan :
a) menunjukkan bahwa D atau berkaitan dengan fasa terdispersi
b) untuk bejana berpengaduk
4. Kaidah Ibu Jari
Einsele (1978) menemukan sejumlah kaidah peningkatan
skala yang digunakan oleh beberapa industri fermentasi
di Eropa yang merupakan penerapan dari kaidah ibu jari
(Tabel 2).
Patokan itu berhubungan dan mengacu pada
perpindahan oksigen (po2 adalah fungsi dari Kla yang
merupakan fungsi dari P/V ).
Tabel 2. Penggunaan patokan peningkatan skala dalam industri
fermentasi
Persentase Industri
Yang menggunakan
Patokan Peningkatan Skala
Yang Digunakan
30
30
20
20
tetapan P/V
tetapan Kla
tetapan Vip
tetapan Po2
5. Coba-coba (trial and error )
Coba-coba pada perkembangan
kebudayaan manusia merupakan
metode untuk meningkatkan
proses.
Saat ini metoda coba-coba masih
banyak digunakan dalam
optimasi proses.
Sebaliknya dalam peningkatan
skala sudah jarang atau bahkan
tidak digunakan lagi.
Suatu pilot-plant yang baik adalah "pabrik yang
diperkecil" bukan "peningkatan percobaan
laboratorium".
Beberapa aspek produksi yang diperlukan dalam
perancangan pabrik skala penuh antara lain :
1. Efek jangka panjang (korosi, akumulasi selama
pendaurulangan, dan lain-lain) dari bahan reaktor
yang digunakan
2. Pengendalian proses
3. Produksi batch
4. Uji untuk pemasaran
5. Demonstrasi proses
Persamaa
n
Neraca
diketahui
Semua
Paramet
er
diketahui
tidak
ya
Penelitian
Untuk parameterAnalisis
dimensional
Pemecahan
analiktik
Pemecaha
n
dengan
komputer
Pecahkan
persamaan
neraca
Penetapan "regim"
Penelitian
Skala kecil
Kaidah peningkatan
Skala tentatif
Penelitian
lanjut
Kaidah peningkatan
Skala tentatif
tidak
ya
ya
tidak
tidak
Masalah peningkatan
Skala
ya
Diagram alir penentuan peningkatan skala reaktor
Contoh Soal 2.
Dalam rangka untuk pendayagunaan hasil pertanian, oleh suatu tim
di lakukan kajian pengembangan proses produksi vanilin dari bahan
baku eugenol (yang terlebih dahulu diekstrak dari minyak Daun
Cengkeh).
Proses yang dipilih : Isomerasi eugenol menjadi iso-eugenol yang
dilakukan dalam suatu bejana, pada suhu 160ºC dengan
penambahan larutan KOH (10%).
Isoeugenol yang terbentuk dioksidasi dengan bantuan suatu
oksidator, yakni Notrobenzena (C6H5N02) dan terbentuk Vanilin
tercampur dalam larutan alkalis.
Penambahan asam khlorida akan mengendapkan Vanilin tersebut
yang selanjutnya dapat dipisahkan.
Tahapan paling kritis dalam pembentukan Vanilin adalah reaksi
oksidasi dari Iso-eugenol menjadi Vanilin. Oleh karenanya tim
pengaji, melakukan percobaan pada tahap reaksi ini lebih rinci.
OH
OCH3
KOH
CH2CH=CH2
OH
OCH3
CH=CHCH3
C6H5NO2
OH
OCH3
CHO
Reaksi :
Eugenol Isoeugenol Vanilin
1. Berdasarkan informasi awal tersebut, susunlah suatu diagram alir
yang juga menggambarkan peralatan yang diperlukan (nantinya).
2. Kajian oksidasi isoeugenol menjadi Vanilin, dilakukan secara
curah/batch untuk mengetahui pola atau kinerja reaksi oksidasi
tersebut. Konsentrasi isoeugenol : 15M, konsentrasi Nitrobenzena :
10M. Pemantauan hasil reaksi produksi (Vanilin) diperoleh hasil sbb :
Waktu
( Menit )
Vanilin
( Molar )
0 0
1 3.97
2 5.12
3 5.95
4 6.61
5 7.10
6 7.52
Berdasarkan hasil tersebut, parameter apa yang dapat anda
tentukan untuk perancangan proses lebih lanjut.
3. Apabila reaksi oksidasi tersebut kemudian akan diterapkan
dalam proses produksi, dan Anda diminta untuk memilih jenis
reaktor yang akan digunakan, mana yang menurut anda paling
ekonomis :
( Proses akan dilakukan secara kontinyu )
- Reaktor Tangki Ideal (RTI)
- Reaktor Pipa Ideal (RPI)
Apabila diinginkan derajat konversi sebesar 80 %, tunjukkan
berapa perbedaan waktu proses/ waktu tinggal kedua reaktor
tersebut.
4. Pada evaluasi lebih lanjut, akan dipilih reaktor piston sebagai
wahana reaksi pembuatan Vanilin dan untuk itu dilakukan
pengajian tentang kemungkinan skala untuk skala 'pilot plant'
maupun untuk tujuan/skala industri.
Percobaan dilaboratorium dikerjakan pada reaktor dengan
ukuran :
- Diameter (d¡) : 5 cm dan panjang (1) : 50 cm
- Sifat larutan yang terukur antara lain :
densitas (p) : 1000 kg/m³
Kecepatan alir (U) : 160 cm/menit
Viskositas : 20 cp (0.020 N detik/m²)
- Reaktor tersebut mampu bekerja pada perolehan 0.5 kg
produk/ l larutan /menit.
Kini akan dirancang suatu reaktor sama dengan kapasitas 300
kg/jam Apakah reaktor dengan ukuran diameter 5 cm dan
panjang 500 cm layak dan memenuhi persyaratan untuk
bekerja dengan kapasitas yang diinginkan ?
Beberapa hubungan/ rumus antara lain disediakan berikut
(Kalau dipandang perlu Anda boleh menggunakan
rumus/hubungan lain) :
JH=C/(Uld¡) 0.675
(I2/d¡2) C2/(U¡2d¡2) 0.675 = ( I¡/d¡)CI /C(U¡Id¡I)0.675
C2(U¡2/U¡I)0.325=CI(d¡2/d¡I)1.675
JH: faktor perpindahan massa
C: tetapan tak berdimensi.
Hubungan antara C dan panjang pipa
(diameter 5 cm) disajikan pada
gambar berikut
Penyelesaian :
1. Penyusunan diagram alir proses, dari bahan dasar eugenol menjadi
vanilin
2. Reaksi :
isoeugenol + nitrobenzenza vanilin + etilnitrobenzena
A + B P + R
Laju reaksi pembentukan vanilin, rp = dcp = - rA=dCt
dt dt
-rA=kCA.CB
k ditetapkan dengan memplot :
1 ln CAo (CAo-CP) . vs kt.
CAo-CBo CAo(CAo-CP)
CAo : 5M
CBo :10M
T,
( Menit )
Vanilin
(CP),M
1 In CAo (CAo-CP)
CAo-CBo CAo(CAo-CP)
0 0 0
1 3.97 0.04
2 5.12 0.06
3 5.95 0.08
4 6.61 0.10
5 7.10 0.12
6 7.52 014
1 2 3 4 5 6 7 8
16
14
12
10
8
6
4
2
0
K= 0.023 mol/menit
Cb
o (
CA
o -
Cp
)
X10-2
CA.CP
CB.CR
CA0
CB0
3. Pemilihan Reaktor :
a. RTI :
Komponen A.
Q CAo - V rA = Q CA + d ( VCA ) = 0
dt
Dalam keadaan tunak : d ( VCA ) = 0
dt
CAo = 30 M Konversi 80 %
CB0 = 25 M
Cp = 0.80 X 30 = 24 M
Jadi CA= 30-24 = 6M
Banyaknya B yang digunakan
untuk pembentukan P juga 24 M
Jadi CB= 25-24=1M
Disusun neraca Massa
z = V = (CAo -CA)
Q rA
= (CAo - CA )
KCA.CB
= (30 - 6 ) = 173.9 Menit
(0.23) (6) (1)
= 2.9 Jam
b. RPI :
CAV CAV V
CAo
CBo
CA, CP
CB, CR
dV
Integrasi menghasilkan :
- kCB . V = In CA/CAo V = 1 In CA/CAo
Q Q -k CB
Z = 1 In 6/30
(-0.023) (1)
Z = 70 Menit = 1.2 jam
Berdasarkan tersebut akan lebih ekonomis dipih reaktor jenis RPI
yang = 2.5 kali lebih cepat.
Lihat Komponen A :
QCAv - rA dV = Q CAv + QdCA
- KCA.CB dV = QdCA
- KCB.dV = dCA
Q CA
4. Penggandaan skala :
- Ukuran/reaktor laboratorium :
di1 = 5 cm = li1 = 50 cm (0.5m)
" Scale Up " : di2 = 5 cm li2 = 500 cm (5m)
Jadi digandakan : 10 kali
- Kapasitas produksi : 0.5 kg produk/menit
Kapasitas produksi ”Sacle up”:
300 kg produk/jam atau 5 kg/menit
C2 (Ui2/Ui1) 0.325 = C1 (di2/di1) 1.675
di1 = di2 =5cm → C1=C2 (Ui2/Ui1) 0.325
C2 dicari dari kurva untuk I2 = 5M C = 0.335
C1 = 0.335 (10.Ui2/Ui1 ) 0.325 = (0.335)(2.113)=0.708
Berdasakan kurva untuk li = 0.5 C1 = 065-068
Jadi ukuran reaktor yang dirancang kurang/tidak layak.
TERIMA KASIH