Reaktor Alir Pipa

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Salah satu reaktor yang mekanismenya cukup sederhana dibandingkan dengan reaktor-reaktor yang digunakan pada industry kimia adalah reaktor alir pipa. Model reaktor alir pipa (RAP) atau plug flow reaktor (PFR) merupakan reaktor di mana reaksi kimia berlangsung secara kontinu sepanjang sistem aliran. Reaktor alir pipa sering juga disebut sebagai reaktor alir sumbat atau Continuous Tubular Reaktors (CTRs). Reaktor alir pipa ini digunakan untuk memperkirakan sifat-sifat reaktor kimia sehingga variable kunci reaktor seperti dimensi reaktor bisa dihitung.

Reaktor ini memiliki karakteristik dalam mekanisme reaksi. Pada umumnya karakteristik reaktor alir pipa pada kondisi ideal yaitu:

1.      Reaktor ini biasanya berupa tube (tabung) yang bereaksi dengan aliran fluida

2.      Diasumsikan  tidak terjadi pengadukan (mixing)

3.      Aliran plug merupakan jenis aliran yang terjadi pada reaktor ini (reaktor alir)

4.      Sebagian besar mixing dari jenis reaktor ini beroperasi pada level intermediet

5.      Pencampuran sempurna dalam dimensi radial (konsentrasi seragam)

6.      Tidak ada pencampuran (mixing) pada aliran aksial atau tidak terjadi dispersi aksial (aliran terpisah)

Berikut ini merupakan contoh aliran dari reaktor alir pipa :

Profil konsentrasi uniform

Gambar 1.1 Aliran reaktor alir pipa

Pada industry kimia, reaktor alir pipa digunakan untuk  berbagai macam proses. Gambar di bawah ini merupakan salah satu jenis pipa reaktor alir pipa jenis flocculator yang digunakan pada proses water treatment.

Gambar 1.2 The PFR pipe flocculator

1.2 Tujuan

Makalah ini disusun untuk memberikan penjelasan dan informasi tentang reaktor alir pipa baik dari segi operasi hingga aplikasinya di industry kimia serta menjelaskan tentang parameter-parameter yang digunakan dalam perancangan reaktor ini. Selain itu makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah perancangan alat proses.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Reaktor Alir Pipa

2.1.1 Prinsip Kerja Alat

Reaktor alir pipa merupakan  reaktor di mana cairan bereaksi dan mengalir  dengan cara  melewati tube (tabung) dengan kecepatan tinggi, tanpa terjadi pembentukan arus putar pada aliran cepat. Reaktor alir pipa pada hakekatnya hampir sama dengan pipa dan relatif cukup mudah dalam perancangannya. Reaktor ini biasanya  dilengkapi  dengan selaput membran  untuk menambah yield produk pada reaktor. Produk secara selektif ditarik dari reaktor sehingga  keseimbangan dalam  reaktor secara kontinu  bergeser membentuk lebih banyak produk.

Gambar 2.1 Reaktor alir Pipa

Pada umumnya reaktor alir pipa dilengkapi dengan katalisator.  Seperti sebagian besar reaksi pada industry kimia, reaksinya membutuhkan katalisator secara signifikan pada suhu layak (standar). Dalam RAP, satu atau lebih reaktan dipompakan ke dalam suatu pipa. Biasanya reaksi yang digunakan pada reaktor ini adalah reaksi fasa gas. Reaksi kimia berlangsung sepanjang pipa sehingga semakin panjang pipa maka konversi yield akan semakin tinggi. Namun tidak mudah untuk menaikkan konversi karena di dalam RAP konversi terjadi secara gradien. Pada awalnya kecepatan reaksi berlangsung secara cepat namun setelah panjang pipa tertentu atau pipa bertambah panjang maka jumlah reaktan akan berkurang dan kecepatan reaksi berlangsung lebih lambat dan akan semakin lambat seiring panjangnya pipa. Artinya, untuk mencapai konversi 100% panjang pipa yang dibutuhkan adalah tak terhingga.

Gambar 2.2 Konsentrasi produk meningkat sepanjang perjalanan dalam reaktor

Beberapa hal penting dalam reaktor alir pipa adalah:

1.      Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran (mixing) dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial.

2.      Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan dimana katalisator ini diharapkan dapat mengoptimalkan reaksi dan terjadi penghematan.

3.      Umumnya RAP memiliki konversi yang lebih besar dibandingkan dengan reaktor alir tangki berpengaduk (RATB) dalam volume yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal yang sama reaktor alir pipa memberikan hasil yang lebih besar dibandingkan RATB.

Di dalam reaktor alir pipa, fluida mengalir dengan perlakuan yang sama sehingga waktu tinggal (τ) sama untuk semua elemen fluida. Fluida sejenis yang mengalir melalui reaktor ideal ini disebut dengan plug. Saat plug mengalir sepanjang reaktor alir pipa, fluida bercampur sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah depan atau belakang). Setiap plug dengan volume berbeda dinyatakan sebagai kesatuan yang terpisah-pisah (hampir seperti batch reaktor) dimana plug mengalir turun melalui pipa reaktor ini.

Reaktor alir pipa juga dikenal sebagi reaktor aliran piston atau reaktor aliran turbular. Reaktor-reaktor tersebut memiliki  persamaan diferensial biasa, dimana pemecahan persamaan tersebut dapat diselesaikan jika boundary condition diketahui. Model reaktor alir pipa digunakan untuk berbagi jenis  fluida, seperti: cairan, gas, dan slurry. Walaupun aliran turbulen dan difusi aksial menyebabkan pencampuran arah axial pada berbagai reaktor namun pada reaktor alir pipa kondisi ini memiliki efek yang kecil dan diabaikan. Pada kasus model reaktor alir pipa yang paling sederhana, beberapa asumsi pokok harus dibuat untuk menyederhanakan masalah ini. Perlu diperhatikan  bahwa tidak semua asumsi ini perlu, namun pemindahan asumsi ini menambah kerumitan masalah.

Model reaktor alir pipa dapat digunakan pada reaksi lipat ganda (multiple reaction) serta reaksi yang melibatkan perubahan suhu, tekanan dan densitias fluida. Walaupun kerumitan ini diabaikan, namun selalu relevan dalam proses industri. Adapun asumsi yang diguanakan pada model reaktor ini sebagai berikut:

1.      Aliran plug (plug flow)

2.      Keadaan steady state

3.      Densitas fluida konstan (untuk cairan dan juga berlaku untuk gas yang tidak mengalami penurunan tekanan, perubahan mol dan  perubahan temperatur).

4.      Diameter pipa konstan

5.      Reaksi tunggal (single reaction)

6.      Zat mengalir di dalam pipa dengan distribusi kecepatan datar

7.       Kecepatan pengadukan ke arah radial berlangsung sangat cepat sehingga pada setiap penampang pipa R, T,P dan komposisi fluida selalu uniform (seragam), dan perbedaan terjadi di sepanjang pipa R

8.      Setiap partikel fluida yg mengalir mempunyai waktu tinggal sama

9.      Fluida dalam fasa gas berlangsung pada tekanan tetap dan fluida dalam fasa cair berlangsung pada volume dan tekanan tetap

Dalam aplikasinya, reaktor alir pipa digunakan pada reaksi:

a.       Reaksi skala besar

b.      Reaksi cepat

c.       Reaksi homogen atau heterogen

d.      Reaksi kontinu

e.       Reaksi pada temperatur tinggi

2.1.2 Perbedaan CSTR dengan Reaktor Alir Pipa

Secara umum ada dua tipe reaktor yang digunakan pada industry kimia yaitu Continous Stirred Tank Reaktor (CSTR) dan Plug Flow Reaktor (PFR) dimana masing-masing reaktor ini memiliki perbedaan dalam mekanisme kerja alat. Perbedaannya terletak pada dasar asumsi konsentrasi komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi. CSTR adalah model reaktor berupa tangki berpengaduk dan diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tanki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan katalisnya berfasa cair atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis cair.

Untuk reaksi heterogen, misalnya antara bahan baku gas dengan katalis padat umumnya menggunakan model reaktor alir pipa. Reaktor alir pipa mirip saringan air dari pasir. Katalis diletakkan pada suatu pipa lalu dari sela-sela katalis dilewatkan bahan baku seperti air melewati sela-sela pasir pada saringan. Asumsi yang digunakan adalah tidak ada perbedaan konsentrasi tiap komponen yang terlibat di sepanjang arah jari-jari pipa.

Reaktor alir pipa mempunyai ketinggian volumetrik pada unit konversi, dapat digunakan pada jangka waktu yang lama dan kecepatan transfer panas dapat dioptimasikan dengan menggunakan banyak tube tipis atau sedikit tube yang lebih tebal yang disusun sejajar. Kerugian reaktor alir pipa ini adalah suhu yang sangat tinggi pada pipa yang dapat menghasilkan kemiringan suhu yang tidak diinginkan sehingga pemeliharaan reaktor alir pipa juga lebih mahal daripada pemeliharaan CSTR.

Gambar 2.3 Hubungan temperatur dalam Plug Flow Reaktor (PFR)

Beberapa hal penting mengenai RAP:

a.       Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran, dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial.

b.      Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan, diharapkan reaksi lebih optimal dan terjadi penghematan.

c.       Biasanya, RAP memiliki konversi yang lebih besar dibanding RATB dalam volum yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal yang sama RAP memberikan hasil yang lebih besar dibanding RATB.

 

                            

Dikatakan ideal jika zat pereaksi dan hasil reaksi mengalir dengan kecepatan yang sama diseluruh penampang pipa.

Keuntungan reaktor alir pipa:

1.      Lebih mudah untuk dikontrol dibandingkan batch

2.      Lebih mudah dalam perawatan

3.      Terdapat baffle yang berguna mengurangi vorteks

4.      Biaya operasi lebih murah

5.      Konversi per volume lebih besar dari reaktor batch

Memberikan volume yang lebih kecil daripada RATB, untuk konversi yang sama

Kerugian reaktor alir pipa:

1.      Harga alat dan biaya instalasi tinggi.

2.      Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.

3.      Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi “Hot Spot”  (bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor.

4.      Karena tidak ada pengadukan sukar untuk mengatur suhu

2.1.3 Sistem Pengopersian Reaktor

Pada reaktor alir pipa, reaktan diinjeksikan ke dalam lintasan tengah, sementara itu gas inert disalurkan melalui dinding pipa. Kita berasumsi bahwa hanya pada dasar pipa terdapat endapan, akibat kondisi pipa yang panas.

Gambar 2.4 Aliran fluida pada reaktor alir pipa

Jika cairan bergerak melewati pipa atau saluran besar dengan bilangan Renolds yang cukup besar, maka tidak ada variasi kecepatan aksial di sepanjang pipa. Dengan asumsi fluida yang mengalir di sepanjang reaktor alir pipa inilah  maka dikenal  sebagai aliran plug flow dimana tidak ada kemiringan konsentrasi atau temperature di koordinat radial.

Gambar 2.5 The biomass and substrate concentration along a plug-flow bioreactor

Karena kecepatan gas adalah sama dimana-mana maka terjadi jalur arus secara konveksi dan difusi dengan arah yang berbeda. Transport sepanjang jalur arus terjadi akibat konveksi, sementara sepanjang tegak lurus arus terjadi akibat difusi. Setelah melalui proses pemanasan , kemudian produk yang diinginkan akan keluar menuju exhaust. Ini ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 2.6 Jalur arus reaktor alir pipa

Berbeda dari CSTR, umpan steril pada reaktor alir pipa secara otomatis menunjukkan konsentrasi nol biommasa pada aliran plug flow yang mencegah sebagian fluida  berpindah sepanjang pipa. Satu cara untuk mencegah masalah ini adalah dengan mendaur ulang kembali (recycle) aliran dengan cara aliran yang  masuk disuntik sebelum memasuki pipa.

Untuk reaksi tunggal dengan kinetika biasa, reaktor alir pipa memiliki konversi substrat yang tinggi dan konsentrasi produk tinggi daripada CSTR untuk volume setara. Kebalikannya jika kinetikanya merupakan autocatalytic (laju reaksi yang tinggi seiring dengan berkurang konsentrasi substrat). Untuk proses mikrobial, reaktor alir pipa biasanya terdiri dari effluent konsentrasi produk yang besar. Tetapi syaratnya adalah inokulasi secara terus-menerus dan sulit pada proses pertukaran gas. Untuk pertumbuhan eksponensial mikrobial, CSTR lebih efisien daripada reaktor alir pipa.

2.2 Persamaan Reaktor

            Secara umum persamaan neraca massa pada reaktor allir pipa adalah sebagai berikut:

= [in] =  [out] + [generation] + [consumption] + [accumulation]

RoI = RoO + RoCrex + RoAcc

Neraca massa pada  diferensial volume untuk elemen fluida berubah-ubah atau plug dimana i merupaka panjang aksial  panjang dx di antara x dan x + dx ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Gambar 2.7 Skema aliran reaktor alir pipa  (plug flow reaktor)

Pada persaman neraca massa reaktor ini diasumsikan:

1.      Transfer massa berlangsung ke arah longitudinal/ searah poros reaktor

2.      Tansfer ke arah radial diabaikan

3.      Operasi steady state à RoAcc =0

Dengan menganggap bahwa volume elemen dV, maka:

RoI = RoO + RoCrex + RoAcc

F_A = (F_A + dF_A) + (-r_AdV) + 0

-dF_A = (-r_AdV)

-d(F_Ao(1-x_A)) = (-r_AdV)

Sehingga,

Keterangan:

V = volume real yg ditempati fluida, m³

F_A0 = laju alir molar reaktan A, kmol/s

r_A = laju reaksi komponen A, kmol/m³ s

x_{A ­}= fraksi konversi A