BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Reaktor 2.1.1 Definisi Reaktor Reaktor adalah satu alat proses tempat terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia maupun nuklir. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan (dengan sendirinya) atau bisa juga dengan bantuan energi seperti energi panas. Perubahan yang terjadi adalah perubahan kimia sehingga yang terjadi adalah bukan perubahan fase melainkan perubahan bahan, misalnya dari air menjadi uap. 2.1.2 Tujuan Pemilihan Reaktor Dalam pemilihan reaktor, terdapat tujuan-tujuan sebagai berikut: 1. Mendapat keuntungan besar. 2. Biaya produksi yang rendah. 3. Modal kecil atau volume reaktor minimum. 4. Operasinya sederhana dan murah. 5. Keselamatan kerja terjamin. 6. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya. 2.1.3 Faktor yang Mempengaruhi Pemilihan Jenis Reaktor 1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi. 2. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping. 3. Kapasitas produksi. 4. Harga reaktor dan biaya instalasinya. 5. Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk
perpindahan panas. 2.1.4 Komponen Reaktor Kimia Secara Umum 1. Cooling Jacket Cooling jacket berfungsi sebagai batas lingkungan dengan sistem reaktor. Selain itu juga berfungsi sebagai penghalang panas agar tidak terbuang ke lingkungan. 2. Motor Motor digunakan sebagai penggerak agitator (pengaduk). Motor terdapat pada reaktor yang memiliki pengaduk. 3. Agitator Agitator adalah baling-baling pengaduk pada tangki berpengaduk.
2
4. Inlet Feed Inlet feed merupakan tempat dimana pereaksi (feed) dimasukkan kedalam reaktor. Inlet feed hanya terdapat pada reaktor kontinyu dan tidak terdapat pada reaktor batch. 5. Outlet Outlet merupakan produk keluaran dari reaktor. 6. Aksesoris Reaktor Aksesoris reaktor berupa pengontrol ketinggian, pengontrol volume, pengontrol suhu dan sebagainya. 2.1.5 Aksesoris Reaktor Beberapa contoh dari aksesoris reaktor adalah : 1. Level Controller (LC), suatu alat yang menjaga agar volume (isi) reaktor tetap terjaga, tidak kehabisan reaktan ataupun kelebihan yang dapat menyebabkan kenaikan tekanan. Cara kerja dari alat ini adalah dengan terus mendeteksi ketinggian permukaan bahan dalam reaktor, jika kurang dari toleransi yang diberikan (set point) maka kran keluaran (output) akan mengecil sampai ketinggian mencapai tinggi yang telah di set. Sebaliknya jika melebihi kran keluaran akan dibuka lebih lebar untuk mengurangi bahan dalam reaktor. 2. Pressure Controller (PC), suatu alat yang bertugas untuk menjaga agar tekanan dalam reaktor masih berada pada kisaran yang ditetapkan. Biasanya diterapkan pada reaktor yang memakai reaktan berfasa gas. Cara kerjanya mirip dengan LC yaitu dengan membuka dan menutup kran. 3. Temperature Controller (TC), suatu alat yang bertugas agar suhu di dalam reaktor masih berada dalam kisaran suhu operasinya. TC juga bekerja dengan membuka dan menutup kran, namun kran yang diintervensi adalah kran utilitas. Misalnya CSTR berpemanas, jika suhu drop maka kran koil uap panas (steam) akan diperbesar sehingga steam yang masuk akan lebih banyak yang akhirnya suplai panas pun bertambah dan akhirnya suhu reaktor akan bertambah dan suhu reaktor pun dapat kembali ke suhu yang normal. 2.2 Jenis-jenis Reaktor Reaktor secara garis besar terbagi menjadi 2 jenis, yaitu: 1. Reaktor kimia
3
Reaktor kimia adalah jenis reaktor yang umum sekali digunakan dalam industri. Hal ini dikarenakan, dalam sintesis bahan kita selalu memerlukan jenis reaktor ini. 2. Reaktor nuklir Penggunaan reaktor nuklir umumnya sangat dibatasi penggunaannya, mengingat standar keselamatannya yang sangat tinggi. Reaktor nuklir umumnya digunakan untuk pembangkit listrik, namun sekarang penggunaannya sedah mulai luas, misalnya untuk merekayasa genetic suatu bibit agar menjadi bibit unggul. 2.3 Reaktor Kimia Dalam teknik
kimia,
reaktor
kimia
adalah
suatu
bejana
tempat
berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk dibandingkan masukan (input) yang besar dengan biaya yang minimum, baik itu biaya modal maupun operasi. Tentu saja faktor keselamatan pun tidak boleh dikesampingkan. Biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan baku, upah operator dan lain-lain. Perubahan energi dalam suatu
reaktor kimia bisa
karena adanya suatu
pemanasan
atau
pendinginan,
penambahan
atau
pengurangan
tekanan,
gaya
gesekan (pengaduk
dan
cairan),
dan
lain-lain. 2.3.1 Jenis-jenis reaktor kimia dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa faktor berikut: a. Pembagian reaktor kimia berdasarkan bentuknya Berdasarkan bentuknya, reaktor kimia diklasifikasikan menjadi: 1.
Reaktor tangki
4
Gambar 2.1 Reaktor Tangki Reaktor tangki banyak dikenal dalam bidang kimia, dimana pada bidang yang banyak bersinggungan dengan unsur dan kontaminan-kontaminan berbahaya tersebut. Reaktor tangki digunakan untuk proses penambahan dan pencampuran bahan-bahan kimia. Reaktor tangki yang berkualitas akan memungkinkan kegiatan-kegiatan seperti oksidasi, reduksi, oil cracking, pH adjustment, metals precipitation, dan proses-proses kimia lainnya dilakukan secara aman dan maksimal. Beratnya tugas yang akan diemban oleh reaktor tangki tersebut membuat proses perancangan dan pembuatannya pun harus dilakukan secara sempurna dan se-efisien mungkin. Ada banyak variabel yang harus diperhitungkan sebelum membuat sebuah reaktor tangki. Tetapi, secara umum perancangan suatu reaktor tangki harus benar-benar memperhatikan efisiensi kinerjanya, sehingga akan didapatkan rasio output (produk) banding input yang besar dengan biaya yang seminimal mungkin. Selain itu, faktor keselamatan juga harus benar-benar diperhitungkan, mengingat dalam satu kali proses kimia akan ada banyak perubahan energi dalam reaktor tangki tersebut seperti penambahan atau pengurangan tekanan, pemanasan, pendinginan, gesekan, dan lain-lain. Oleh karena itu, pengurangan biaya operasional dengan cara memangkas biaya keselamatan justru akan menyebabkan membengkaknya pengeluaran karena kejadian-kejadian yang tidak diinginkan. Sebuah reaktor tangki yang baik dan berkualitas harus bisa dioperasikan secara kontinyu maupun pertain (batch). Pada umumnya, reaktor tangki akan beroperasi dalam keadaan diam (steady state) walaupun tidak menutup kemungkinan untuk dioperasikan dalam keadaan transient. Saat pertama kali beroperasi, reaktor tangki biasanya akan beroperasi secara transien karena komponen produk masih berubah terhadap waktu. Seiring dengan berjalannya waktu, reaktor akan beroperasi secara steady dimana semua komponen produk dalam tangki telah berada dalam kondisi yang cukup stabil.
5
Reaktor tangki dikatakan ideal apabila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi
dan
suhu
didalam
reaktor setiap saat
selalu
seragam.
Reaktor
tangki
dapat dipakai untuk
proses
batch,
semi
batch,
dan
proses alir.
2.
Reaktor pipa
Gambar 2.2 Reaktor Pipa Reaktor jenis ini biasanya digunakan tanpa pengaduk, sehingga disebut reaktor alir pipa. Dikatakan ideal apabila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir di dalam pipa dengan arah sejajar dengan sumbu pipa. b. 1.
Pembagian reaktor berdasarkan proses Berdasarkan prosesnya, reaktor dapat diklasifikasikan menjadi: Reaktor batch Reaktor batch merupakan reaktor dimana saat terjadinya reaksi tidak ada
reaktan yang masuk dan produk yang keluar. Dalam reaktor batch, reaksinya terjadi dalam sekali proses. Reaktor jenis ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi berkapasitas kecil, seperti dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, reaksi kimia, batch distillation, kristalisasi, ekstraksi caircair, polimerisasi, farmasi, dan fermentasi.
6
Gambar 2.3 Reaktor Batch Berikut ini beberapa ketetapan dalam penggunaan reaktor tipe batch. Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperatur. Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama. Reaktor batch bisa tersusun oleh sebuah tangki dengan pengaduk serta sistem pendingin atau pemanas yang menyatu dengan reaktor. Tangki ini memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari kurang dari 1 L sampai lebih dari 15.000 L tergantung kebutuhan. Batch reaktor biasanya terbuat dari baja, stainless steel atau baja berlapis kaca. Padatan dan cairan yang akan masuk reaktor biasanya melalui sambungan yang terdapat pada tutup atas reaktor. Untuk uap dan gas yang keluar reaktor biasanya juga melalui bagian atas, sedangkan untuk cairan keluar melalui bagian bawah. Kelebihan dari reaktor tipe batch 1. Harga instrumentasi rendah 2. Penggunaannya fleksibel, dimana dapat dihentikan secara mudah dan cepat, 3. 4. 5. 6.
kapan saja diinginkan. Penggunaan yang multifungsi Dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan campuran kuat dan beracun Mudah dibersihkan Dapat menangani reaksi dalam fase
gas, cair, dan cair7. Pada reaktor batch
padat. dengan volume
yang berubah,
maka perubahan
volume dapat
dianggap linier
terhadap konversi. Kelemahan reaktor tipe
batch
7
1. Biaya buruh dan handling yang tinggi 2. Terkadang waktu untuk mengosongkan, membersihkan, dan mengisi kembali
reaktor besar. 3. Pengendalian kualitas dari produk jelek atau susah 4. Skala produksi yang kecil 5. Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas karena mudah terjadi kebocoran pada lubang pengaduk 6. Tidak dapat dijalankan pada proses-proses yang sulit, karena harus diubah
menjadi proses kontinyu. Mekanisme kerja reaktor batch Reaktan dimasukkan ke dalam reaktor, sehingga terjadi reaksi dalam waktu tertentu. Setelah itu, produk (hasil) akan dikeluarkan dari reaktor. Pada saat reaksi berlangsung, tidak ada reaktan yang masuk dan produk yang keluar. Didalam reaktor terjadi pengadukan yang sempurna, sehingga konsentrasi disetiap titik dalam reaktor sama pada waktu yang sama.
Dalam industri kimia, reaktor batch digunakan untuk keperluan antara lain pada industri dengan skala kecil, yaitu: 1. Mencoba proses baru yang belum sepenuhnya dikembangkan 2. Memproduksi produk yang mahal 3. Proses-proses yang sulit diubah menjadi proses kontinyu.
Alasan dipilihnya reaktor batch 1. Proses yang terjadi membutuh proses yang lama 2. Jika bahan atau hasilnya perlu pembersihan 3. Untuk reaksi dengan fase cair 4. Jika prosesnya dalam kapasitas yang kecil 2.
Reaktor alir Reaktor alir disebut reaktor ideal jika zat-zat pereaksi dan hasil reaksi
mengalir dengan kecepatan yang sama diseluruh penampang pipa. Pada reaktor, komposisi suhu dan tekanan diseluruh penampang reaktor selalu sama. Perbedaan komposisi suhu dan tekanan hanya terjadi di sepanjang dinding reaktor. Reaktor jenis ini banyak digunakan dalam industri dengan zat pereaksi atau reaktan berupa fase gas atau cair dengan kapasitas produksi yang cukup besar. Reaktor alir terbagi menjadi 2 jenis, yaitu:
8
1.
Reaktor alir tangki berpengaduk (RATB)
Gambar 2.4 Reaktor
Alir Tangki Berpengaduk
(RATB) Reaktor alir
tangki
berpengaduk
(RATB) merupakan reaktor
yang
paling
sering
dijumpai dalam industri kimia. Reaktor ini termasuk sistem reaktor kontinyu untuk reaksi-reaksi sederhana. Berbeda dengan sistem operasi batch dimana selama reaksi berlangsung tidak ada aliran yang masuk atau meninggalkan sistem secara berkesinambungan, maka di dalam reaktor alir (kontinyu) baik umpan maupun produk akan mengalir secara terus-menerus. Sistem seperti ini memungkinkan kita untuk bekerja pada suatu keadaan dimana operasi berjalan secara keseluruhan daripada sistem berada dalam kondisi stasioner. Ini berarti bahwa baik aliran yang masuk, aliran keluar, maupun kondisi operasi reaksi di dalam reaktor tidak lagi berubah oleh waktu. Pengertian waktu reaksi tidak lagi sama dengan lamanya operasi berlangsung, tetapi ekivalen dengan lamanya reaktan berada dalam reaktor. Pernyataan ini biasa disebut waktu tinggal campuran di dalam reaktor, yang besarnya ditentukan oleh laju alir campuran yang lewat serta volume reaktor dimana reaksi berlangsung. Reaktor tipe ini bisa terdiri dari satu tangki atau lebih. Biasanya tangkitangki ini dipasang vertical dengan pengadukan sempurna. Pengadukan pada masing-masing tangki dilakukan secara kontinyu sehingga diperoleh suatu keadaan dimana komposisi campuran di dalam reaktor benar-benar seragam. RATB sering atau biasa digunakan untuk reaksi homogen (reaksi yang berlangsung dalam satu fase saja), misalnya fase cair-cair atau gas-gas Untuk reaksi fase gas (non katalitik), reaksinya berlangsung cepat tetapi akan mudah
9
terjadi kebocoran sehingga dinding reaktor harus dibuat tebal, misalnya pada reaksi pembakaran. Untuk reaksi fase cair (katalitik), reaksinya berlangsung dalam sistem koloid. Pada RATB, kecepatan volumetrik umpan yang masuk sama dengan kecepatan
volumetrik
akumulasinya
sama
hasil dengan
(produk) nol.
yang
Adanya
keluar
sehingga
pengadukan
yang
kecepatan sempurna
menyebabkan komposisi di dalam reaktor sama dengan komposisi yang keluar dari reaktor, begitu pula dengan parameter lain seperti kosentrasi, konversi reaksi, dan kecepatan reaksi. Mekanisme kerja RATB Pada RATB prosesnya berlangsung secra kontinyu, pengadukan adalah yang terpenting dalam reaktor ini karena dengan adanya pengadukan akan menjadikan reaksinya menjadi homogen. Keuntungan penggunaan RATB: 1. Suhu dan komposisi campuran dalam reaktor sama 2. Pengontrolan suhu mudah sehingga kondisi operasi yang isotermal bisa 3.
terpenuhi. Mudah dalam melakukan pengontrolan secara otomatis sehingga produk lebih konsisten dan biaya operasi lebih rendah.
Kerugian penggunaan RATB: 1. Tidak efisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang bertekanan tinggi. 2. Kecepatan perpindahan panas lebih rendah dibanding RAP. 3. Untuk menghasilkan konversi yang sama, volume yang dibutuhkan RATB 4.
lebih besar dari RAP. Volume reaktor besar, maka waktu tinggal juga besar, berarti zat pereaksi
5.
lebih lama bereaksi di reaktor. Reaksinya berlangsung isotermal sehingga dipakai katalisator yang aktifitasnya rendah dan butir katalisator kecil sehingga tidak ada tahanan perpindahan panas.
2.
Reaktor alir pipa (RAP)
10
Gambar 2.5 Reaktor Alir Pipa Reaktor alir pipa cairan
bereaksi
adalah reaktor dimana
dan
mengalir dengan cara
melewati tube (tabung)
dengan
tinggi, pada disebut
kecepatan
tanpa
terjadi
pembentukan arus putar
aliran
cepat.
Reaktor alir pipa sering
juga
sebagai
reaktor alir sumbat atau
tubular
reactors
continuous
(CTRs).
Reaktor ini biasanya
dilengkapi
selaput
untuk menambah yield
membrane
dengan
produk pada reaktor. Produk secara selektif ditarik dari reaktor sehingga keseimbangan dalam reaktor secara kontinyu bergeser membentuk lebih banyak produk. Pada umumnya, reaktor alir pipa dilengkapi dengan katalisator. Dalam RAP, satu atau lebih reaktan dipompakan ke dalam suatu pipa. Biasanya reaksi yang digunakan pada reaktor ini adalah reaksi fase 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 gradient. 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 seiring panjangnya pipa. Di dalam RAP, fluida mengalir dengan perlakuan yang sama sehingga waktu tinggal sama untuk semua elemen fluida. Fluida sejenis yang mengalir melalui reaktor ideal ini disebut dengan plug. Saat plug mengalir sepanjang RAP, fluida bercampur sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah depan atau belakang). Setiap plug dengan volume berbeda dinyatakan sebagai 11
kesatuan yang terpisah-pisah ( hampir seperti reaktor batch) dimana plug mengalir turun melalui pipa reaktor ini. Umpan dalam reaktor alir pipa biasanya umpan dalam skala besar. Oleh karena itu, reaktor ini banyak digunakan dalam industri – industri besar seperti : petrokimia gresik, pertamina dan lain-lain. Reaktor ini biasanya digunakan dalam fase gas pada tekanan tinggi dan dalam suhu tinggi. Beberapa hal penting mengenai RAP: 1. Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran, dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial. 2. Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan, diharapkan reaksi lebih optimal dan terjadi penghematan. 3. Biasanya, RAP memiliki konversi yang lebih besar dibanding RATB dalam volume yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal yang sama RAP memberikan hasil yang lebih besar dibanding RATB. Keuntungan penggunaan RAP: 1. Memberikan volume yang lebih kecil daripada RATB, untuk konversi yang sama 2. Hasil konversi yang cukup tinggi 3. Waktu yang relatif lebih singkat dibandingkan dengan reaktor lain seperti RATB.
Kerugian penggunaan RAP: 1. Harga alat, biaya instalasi, dan perawatannya 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 sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor. 3. Reaktor semi batch
12
Gambar 2.6 Reaktor Semi Batch Reaktor semi batch mungkin adalah jenis yang paling sering ada dalam industri
kimia,
terutama di
cabang biokimia, di
laboratorium kimia
organik dan
dalam proses bioteknologi.
Reaktor ini biasanya
berbentuk
berpengaduk.
Reaktor
tangki semi
batch
berlangsung
secara
batch dan kontinyu secara
bersamaan.
Contoh
paling sederhana misalnya
pada tangki fermentor, rag
i dimasukkan
sekali
ke
dalam tangki (secara batch) namun CO2 yang dihasilkannya dikeluarkan secara kontinyu. Contoh lainnya adalah pada proses klorinasi, pada suatu reaksi cair-gas, gas digelembungkan secara kontinyu dari dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam (batch). Reaktor semi batch beroperasi seperti reaktor batch namun, reaktor ini dimodifikasi sehingga dapat memperkenankan adanya penambahan pereaksi dan atau penghapusan produk dalam suatu waktu. Kelebihan reaktor semi batch: 1. Peningkatan selektivitas reaksi. Sering kali reaktan tertentu bisa melalui jalur paralel yang menghasilkan dua produk yang berbeda namun hanya satu yang diinginkan. 2. Kontrol yang lebih baik dari reaksi eksotermis. Reaksi eksotermis adalah reaksi yang melepaskan panas. Reaksi yang sangat eksotermis dapat menyebabkan masalah dalam hal keamanan. Reaktor semi batch memungkinkan untuk penambahan reaktan secara lambat untuk
13
mengontrol juga
panas
yang dilepaskan dan
temperatur
yang ada di dalam
reaktor. 3. Penghapusan
produk melalui aliran
pembersihan. Dalam rangka
meminimalkan
reversibilitas reaksi, maka konsentrasi produk harus diminimalkan. Hal ini dapat dilakukan dalam reaktor semi batch dengan menggunakan aliran pembersihan untuk menghilangkan produk dan meningkatkan laju reaksi. Pemilihan reaktor Baik reaktor batch maupun reaktor semi batch lebih cocok untuk reaksi fase cair dan produksi skala kecil, karena mereka biasanya membutuhkan biaya modal yang lebih rendah daripada operasi reaktor alir pipa, tetapi akan dikenakan biaya yang lebih besar per unit jika produksi ingin ditingkatkan. c. 1.
Pembagian reaktor berdasarkan keadaan operasinya Berdasarkan keadaan operasinya, reaktor terbagi menjadi: Reaktor isotermal
Gambar 2.7
Reaktor Isotermal
Reaktor
isotermal adalah reaktor
yang beroperasi secara isotermal, jika umpan yang masuk ke reaktor, campuran dalam reaktor dan cairan yang keluar dari reaktor selalu seragam dan suhunya sama dan keadaan awal secara operasional sulit dilaksanakan sebab perpindahan panas yang terjadi harus selalu dapat mengimbangi panas reaksi yang terjadi (untuk reaksi eksoterm) atau panas diperlukan untuk reaksi endoterm. 2.
Reaktor adiabatis
14
Gambar 2.8 Reaktor Adiabatis Reaktor adiabatis adalah reaktor yang beroperasi secara adiabatis dimana tidak ada perpindahan panas antara reaktor dengan sekelilingnya. Ditinjau dari segi
operasionalnya, reaktor adiabatis yang paling sederhana, cukup dengan menyekat reaktor, sehingga tidak ada panas yang hilang ke sekelilingnya. Jika reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. 3.
Reaktor Non-Adiabatis Reaktor non adiabatis adalah reaktor yang beroperasi secara non adiabatis
dimana terdapat perpindahan panas antara reaktor dengan sekelilingnya. d. 1.
Pembagian reaktor khusus (Reaktor dengan katalis padat) Packed/Fixed bed reaktor (PBR)
15
Gambar 2.9 Reaktor Fixed Bed Reaktor fixed bed adalah reaktor dengan menggunakan katalis padat yang diam dan zat pereaksi berfase gas. Butiran-butiran katalisator yang biasa dipakai dalam reaktor fixed bed adalah katalisator yang berlubang di bagian tengah, karena luas permukaan persatuan berat lebih besar jika dibandingkan dengan butiran katalisator berbentuk silinder, dan aliran gas lebih lancar. Reaktor jenis ini terdiri dari satu pipa atau lebih yang berisi tumpukan katalis stasioner dan dioperasikan vertikal. Reaktor fixed bed biasanya dioperasikan secara adiabatis. Bentuk reaktor fixed bed Bentuk reaktor fixed bed dapat dibagi menjadi : 1. Reaktor dengan satu lapis tumpukan katalisator (Single Bed) Sebagai penyangga katalisator dipakai butir-butir alumunia (bersifat inert terhadap zat pereaksi) dan pada dasar reaktor disusun dari butir yang besar makin keatas makin kecil, tetapi pada bagian atas katalisator disusun dari butir kecil makin keatas makin besar. 2. Multi bed Katalisator diisi lebih dari satu tumpuk katalisator, fixed bed dengan katalisator lebih dari satu tumpuk banyak dipakai dalam proses adiabatis. Jika reaksi yang terjadi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil suhu gas sudah naik sampai lebih tinggi dari suhu maksimum yang diperbolehkan untuk katalisator, maka gas harus di dinginkan terlebih dahulu kedalam alat penukar panas diluar reaktor untuk di dinginkan dan selanjutnya dialirkan kembali ke reaktor melalui tumpukan katalisator kedua, jika konversi gas yang keluar dari tumpukan kedua belum mencapai yang direncanakan, tetapi suhu gas sudah lebih tinggi dari yang diperbolehkan maka dilakukan pendinginan lagi dengan mengalirkan gas kea lat penukar panas kedua kemudian di kembalikan ke reaktor yang masuk melalui tumpukan katalisator ketiga dan seterusnya sampai diperoleh konversi yang diinginkan. Jika reaksi bersifat endotermis maka penukar panas diluar reaktor dapat digunakan untuk pemanas gas reaksi. Pemilihan katalisator 16
Untuk menentukan katalisaor mana yang sebaiknya digunakan dapat dipakai pertimbangan sebagai berikut : Harga katalisator. Dipilih harga katalisator yang murah, untuk menghemat investasi dan biaya
operasi Mudah atau tidaknya diregenerasi. Jika katalisator dapat diregenerasi tanpa harus merusak aktivitasnya dapat
mengurangi biaya pembelian katalisator baru Dapat diproduksi dalam jumlah yang besar Tahan terhadap racun. Jika katalisator tahan terhadap racun akan berumur panjang dan tidak mudah
kehilangan aktivitasnya. Sebaiknya dipakai katalisator yang berumur panjang dengan maksud untuk menghemat dana untuk membeli katalisator baru, untuk mengurangi waktu produksi yang hilang guna penggantian katalisator.
Kelebihan fixed bed reaktor Dapat digunakan untuk mereaksikan dua macam gas sekaligus Kapasitas produksi cukup tinggi Pemakaian tidak terbatas pada kondisi reaksi tertentu (eksoterm atau
endoterm) sehingga pemakaian lebih fleksibel Aliran fluida mendekati plug flow, sehingga dapat diperoleh hasil konversi
yang tinggi Pressure drop rendah Oleh karena adanya hold-up yang tinggi, maka menghasilkan
radial yang lebih baik dan tidak ditemukan pembentukan saluran (channeling) Pemasokan katalis per unit volum reaktor besar Hold up liquid tinggi Katalis benar-benar dibasahi Kontrol temperatur lebih baik Transfer massa gas-liquid lebih tinggi daripada reaktor trickle bed karena interaksi gas-liquid lebih besar
Kekurangan fixed bed reaktor Resistansi difusi intra partikel sangat besar Rate transfer massa dan transfer panas rendah Pemindahan katalis sangat sulit dan memerlukan shut down alat Konversi lebih rendah
17
pencampuran
2.
Ada kemungkinan terjadi reaksi samping homogen pada liquid Fluidized
bed reaktor (FBR)
Gambar 2.10
Reaktor Fluidized
Bed Fluidized Bed Reaktor adalah adalah jenis reaktor kimia yang dapat digunakan untuk mereaksikan bahan dalam keadaan banyak fasa. Reaktor jenis ini menggunakan fluida (cairan atau gas) yang dialirkan melalui katalis padatan (biasanya berbentuk butiran-butiran kecil) dengan kecepatan yang cukup sehingga katalis akan terolak sedemikian rupa dan akhirnya katalis tersebut dapat dianalogikan sebagai fluida juga. Proses ini, dinamakan fluidasi. Fluidized Bed Reaktor dapat digunakan untuk pencampuran dan pemisahan antar fasa. Kelebihan penggunaan FBR: Terjadinya regenerasi secara kontinyu. Reaksinya memiliki efek panas yang tinggi. Suhunya konstan sehingga mudah dikontrol. Kekurangan penggunaan FBR: Partikel mengalami keausan yang dapat menyebabkan mengecilnya ukuran partikel yang berada di dalam reaktor dan ikut mengalir bersama aliran gas sehingga perlu digunakan alat cyclone separators dan aliran listrik yang
disambungkan pada garis antara reaktor dan generator. Adanya peningkatan keabrasivan dimana penyebabnya adalah partikel padat
di dalam proses cracking pada fluidized bed. Tidak mempunyai fleksibilitas terhadap perubahan panas. Rancang-Bangun kompleks sehingga biaya mahal Jarang digunakan di (dalam) laboratorium
18
Alasan pemilihan reaktor fluidized bed: Partikel fluidized sangat kecil Konsentrasi intra partikel dan gradien temperaturnya diabaikan Ketika terjadi regenerasi katalis dan reaksinya memiliki efek panas yang
tinggi. Biasanya diameter reaktor 10-30 ft. Reaktor dimana katalisnya terangkat oleh aliran gas reaktan. Operasinya isotermal.
Perbedaan fluidized bed dengan Fixed bed: Pada fluidized bed jumlah katalis lebih sedikit dan katalis bergerak sesuai kecepatan aliran gas yang masuk serta memberikan luas permukaan yang lebih besar.
e.
Reactor Berdasarkan Susunannya Reaktor Seri 1. Reaktor aliran plug susunan seri Pada gambar menunjukkan sebuah sistem susunan seri reaktor aliran plug,
dimana tidak terdapat sisa aliran antara reaktor berikutnya. Pada gambar tersebut terdapat tiga reaktor seri, tetapi ada beberapa kasus yang jumlah reaktornya lebih sedikit atau lebih banyak. Jumlah volume pada susunan seri untuk N reaktro, diekspresikan dalam bentuk keseimbangan mol untuk masing – masing reaktor. Dengan kata lain, jumlah volume untuk semua reaktor diperoleh dengan mengintegralkan persamaan neraca mol input pada reaktor pertama dan cabang dari yang terakhir. Keseimbangan mol pada beberapa reaktor mungkin dapat dikalkulasikan pada bentuk sebuah konversi fraksi masukan (input) pada reaktor pertama.
2.11Reaktor aliran plug susunan seri
19
1. CSTR dalam susunan seri Sebuah sistem CSTR dalam susunan seri diilustrasikan pada gambar. Dalam hal ini, cabang dari satu reaktor membentuk aliran yang ada pada reaktor yang berikutnya dalam susunan seri lainnya. Dalam bagian ini kita anggap bahwa tidak ada perubahan sistem antara reaktor. Persamaan konversi dapat diselesaikan untuk masing – masing reaktor dalam susunan seri.
2.12 CSTR dalam susunan seri
Total volume reaktor minimum untuk CSTR dalam susunan seri adalah dideterminasikan dari volume reaktor minimum yang dibutuhkan untuk memperoleh konversi pada kondisi yang ada pada reaktor pertama. Persamaan keseimbangan mol data ditulis untuk masing – masing CSTR, dengan konversi dalam beberapa reaktor yang ditentukan dalam bentuk nilai aliran molar A ada pada reaktor pertama. Nilai aliran Inlet dan outlet dibagi dengan nilai reaksi dapat di plot sebagai sebuah fungsi konversi untuk sistem reaktor ini. Minimisasi masssa dapat ditunjukan dalam bentuk nilai XAi yang meminimumkan volume reaktor total. Volume total minimum ditemukan dengan mengambil turunan volume total dengan mengikuti pada XA1, dan menyusun hasil yang sma dengan mol. Lalu, ambil hasil penurunannya dengan mengikuti pada X A1 dan susun hasil dengan sama dengan nol. Susunan ulang persamaan tersebut untuk memberikan kondisi yang memberikan volume minimum. Konstanta kesetimbangan untuk semua reaksi dalam bentuk konsentrasi adalah dengan mengasumsikan gas ideal.
20
Keuntungan dan Kekurangan dari rangkaian seri Keuntungan
Menghasilkan produk yang sempurna
Feed ( umpan ) diteruskan secara kontinyu
Memberikan konversi produk yang lebih tinggi
Kerugian
Kapasitas produk yang dihasilkan sedikit
Membutuhkan waktu lama untuk operasi
Reaktor Paralel 1. Reaktor aliran plug dalam susunan paralel Dalam sistem paralel reaktor aliran plug, sebuah aliran bertekanan dibagi dalam beberapa bentuk, masing – masing masukan pada sebuah reaktor aliran plug, seperti yang diilustrasikan pada gambar. Konversi keseluruhan dari sistem reaktor dapat didetermenasikan dengan pembentukan sebuah keseimbangan mol pada titik konvergen aliran cabang. Hal ini dapat ditunjukkan oleh temperatur dan total nilai molar, dimana konversi keseluran tertinggi yang diperoleh adalah sama pada masing – masing reaktor. Pada industri, umumnya reaktor tubulal terdiri dari banyak ( mungkin ratusan ) pipa yang paralel dengan ukuran yang sama, dimana masing – masing reaktor mempunyai kondisi operasi yang sama.
2.13 Reaktor aliran plug dalam susunan paralel
21
1. CSTR dalam susunan paralel Pada gambar menunjukkan CSTR dalm susunan paralel dimana analisis sistem ini mirip pada analisis sistem paralel PFR, yang pada masing – masing reaktor dapat dianalisa secara terpisah. Untuk sebuah sistem paralel CSTR, konversi keseluran tertinggi didapat ketika konversi dimana pada masing-masing reaktor. Dengan kata lain, total nilai aliran dibagi berdasarkan reaktor-reaktor menurut volume yang ada. Sebuah sistem N paralel CSTR pada ruang dan waktu yang sama, akan memberikan konversi keseluran sama sebagai sebuah CSTR tunggal dengan sebuah volume (Vt) sama untuk sejumlah volume total CSTR dalam susunan paralel.
2.14 CSTR dalam susunan paralel Keuntungan dan kerugian dari rangkaian paralel Keuntungan o Menghasilkan produk homogen o Memperbesar kapasitas produk o Waktu pengoperasiannya lebih cepat Kerugian o Produk yang dihasilkan belum begitu sempurna o Menghasilkan konversi produk yang sama
2.4
Fluid-fluid Reaktor Biasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair. 1. Bubble tank. Bubble tank adalah jenis reaktor kimia yang dapat digunakan untuk mereaksikan bahan dalam keadaan banyak fasa. Reaktor jenis ini menggunakan fluida (cairan atau gas) yang dialirkan melalui katalis padatan 22
(biasanya berbentuk butiran-butiran kecil) dengan kecepatan yang cukup sehingga katalis akan terolak sedemikian rupa dan akhirnya katalis tersebut dapat dianalogikan sebagai fluida juga.
Gambar 2.15 : Bubble Tank
2.
Agitate tank Agitate tank adalah digunakan untuk menyediakan reservoir penyimpanan untuk batch campuran dari mixer kecepatan geser tinggi. Tiga fungsi utama dari agitate tank : Persamaan gelembung udara terjebak selama proses pencampuran. Agitate bertindk sebagai reservoir penyimpanan untuk batch campuran yang memungkinkan kelangsungan penyediaan dipertahankan untuk
pompa. Agitate dari dayung khusus bebentuk menjaga campuran dalam suspensi sebelum pemompaan.
23
Gambar 2. 14 : Agitate Tank
3. Spray Tower Spray tower adalah perangkat kontrol terutama digunakan untuk pengkondisian gas (pendingin dan pelembab) atau untuk tahap pertama atau penghapus partikel gas. Mereka juga digunakan di banyak gas cerombnong desulfurisasi sistem untuk mngurangi penumpukan plugging dan skala oleh polutan.
Gambar 2.15 : Spray Tower
Spray tower terdiri dari chamber-chamber besar di mana phase gas mengalir dan masuk serta kontak dengan likuid di dalam spray nozzles. Berikut ini menunjukan aliran phase di dalam spray tower, likuid masuk dalam spray dan jatuh karena gaya gravitasi, serta kontak secara counter curent dengan aliran gas yang masuk. Untuk ketinggian yang rendah, efisiensi ruang spray kira-kira mendekati packed powder, tetapi untuk ketinggian yang melebihi 4 ft efisiensi spray turun dengan cepat. Sedangkan kemungkinan berlakunya interfase aktif yang sangat besar dengan terjadinya sedikit penurunan, panda prakteknya ditemukan ketidakmungkinan untuk mencegah hubungan ini, dan selama permukaan interfase efektif berkurang dengan ketinggian, dan spray tower tidak digunakan secara luas.
24
Spray nozzles didesain untuk aliran likuid yang mempunyai bilangan presure drop besar maupun kecil, untuk aliran likuid yang mempunyai flow rate yang kecil, maka cross area kontaknya harus besar. Laju aliran yang mempunyai drop fals menentukan waktu kontak dan sirkulasinya. Disertai dengan influensasi mass transfer antara dua phase dan harus kontak terusmenerus. Hambatan pada transfer yaitu pada phase gas dikurangi dengan gerakan swirling dari falling likuid droplets. Spray tower digunakan untuk transfer massa larutan gas yang tinggi dimana dikontrol laju perpindahan masa secara normal pada phase gas. Tipe dari kolom absorber memiliki klasifikasi dan pemakaian yang berbeda-beda pada operasinya. Hal ini harus dipahami secara seksama agar kita dapat lebih memahami lagi sistem absober jenis ini Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara ialah: 1. Harus tidak bereaksi kimia dengan fluida di dalam menara 2. Harus kuat, tetapi tidak terlalu berat. 3. Harus mengandung cukup banyak laluan untuk kedua arus tanpa terlalu banyak zat cair yang terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi. 4. Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dengan gas. 5. Harus tidak terlalu mahal. 2.5
Reaktor Nuklir
Reaktor nuklir adalah suatu alat untuk mengendalikan reaksi fisi berantai dan sekaligus menjaga kesinambungan reaksi itu. Reaktor nuklir ditetapkan sebagai "alat yang menggunakan materi nuklir sebagai bahan bakarnya Materi fisi yang digunakan sebagai bahan bakar misalnya uranium, plutonium dan lain-lain. Untuk uranium digunakan uranium alam atau uranium diperkaya. Jadi secara umum reaktor nuklir adalah tempat berlangsungnya reaksi nuklir yang terkendali. Untuk mengendalikan operasi dan menghentikannya digunakan bahan penyerap neutron yang disebut batang kendali. Jenis reaktor nuklir dibedakan berdasarkan besarnya energi kinetik neutron yang merupakan faktor utama dalam reaksi fisi berantai,
25
yaitu reaktor neutron panas, reaktor neutron cepat dan lain-lain. Berdasarkan jenis materi yang digunakan sebagai moderator dan pendingin, reaktor diklasifikasikan menjadi reaktor air ringan, reaktor air berat, reaktor grafit dan lain-lain. Berdasarkan tujuannya, diklasifikasikan menjadi reaktor riset, reaktor uji material, reaktor daya dan lain-lain. 2.5.1 Prinsip kerja Reaktor Nuklir Energi yang dihasilkan dalam reaksi fisi nuklir dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang berguna. Untuk itu, reaksi fisi harus berlangsung secara terkendali di dalam sebuah reaktor nuklir. Sebuah reaktor nuklir paling tidak memiliki empat komponen dasar, yaitu elemen bahan bakar, moderator neutron, batang kendali, dan perisai beton. Elemen bahan bakar menyediakan sumber inti atom yang akan mengalami fusi nuklir. Bahan yang biasa digunakan sebagai bahan bakar adalah uranium U. Elemen bahan bakar dapat berbentuk batang yang ditempatkan di dalam teras reaktor. Neutron-neutron yang dihasilkan dalam fisi uranium berada dalam kelajuan yang cukup tinggi. Adapun, neutron yang memungkinkan terjadinya fisi nuklir adalah neutron lambat sehingga diperlukan material yang dapat memperlambat kelajuan neutron ini. Fungsi ini dijalankan oleh moderator neutron yang umumnya berupa air. Jadi, di dalam teras reaktor terdapat air sebagai moderator yang berfungsi memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air. Fungsi pengendalian jumlah neutron yang dapat menghasilkan fisi nuklir dalam reaksi berantai dilakukan oleh batang-batang kendali. Agar reaksi berantai yang terjadi terkendali dimana hanya satu neutron saja yang diserap untuk memicu fisi nuklir berikutnya, digunakan bahan yang dapat menyerap neutronneutron di dalam teras reaktor. Bahan seperti boron atau kadmium sering digunakan sebagai batang kendali karena efektif dalam menyerap neutron. 2.5.2 Komponen Reaktor Nuklir Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico Fermi pada tahun 1942 di Universitas Chicago. Hingga saat ini telah ada berbagai jenis dan ukuran rekator
26
nuklir, tetapi semua reaktor atom tersebut memiliki lima komponen dasar yang sama, yaitu: elemen bahan bakar, moderator netron, batang kendali, pendingin dan perisai beton. a. Elemen Bahan Bakar Elemen bahan bakar ini berbentuk batang-batang tipis dengan diameter kirakiri 1 cm. Dalam suatu reaktor daya besar, ada ribuan elemen bahan bakar yang diletakkan saling berdekatan. Seluruh elemen bahan bakar dan daerah sekitarnya dinamakan teras reaktor. Umumnya, bahan bakar reaktor adalah uranium-235. oleh karena isotop ini hanya kira-kira 0,7% terdapat dalam uranium alam, maka diperlukan proses khusus untuk memperkaya (menaikkan prosentase) isotop ini. Kebanyakan reaktor atom komersial menggunakan uranium-235 yang telah diperkaya sekitar 3%. b. Moderator Netron Netron yang mudah membelah inti adalah netron lambat yang memiliki energi sekitar 0,04 eV (atau leih kecil), sedangkan netron-netron yang dilepaskan selama proses pembelahan inti (fisi) memiliki energi sekitar 2 MeV. Oleh karena itu, sebuah raktor atom harus memiliki materaial yang dapat mengurangi kelajuan netron-netron yang energinya sangat besar sehingga netron-netron ini dapat dengan mudah membelah inti. Material yang memperlambat kelajuan netron dinamakan moderator. Moderator yang umum digunakan adalah air. Ketika netron berenergi tinggi keluar dari sebuah elemen bahan bakar, netron tersebut memasuki air di sekitarnya dan bertumbukan dengan molekul-molekul air. Netron cepat akan kehilangan sebagian energinya selama menumbuk molekula air (moderator) terutama dengan atom-atom hidrogen. Sebagai hasilnya netron tersebut diperlambat. Syarat bahan moderator : 1. Atom dengan nomor massa kecil. 2. Memiliki tampang lintang serapan neutron (keboleh-jadian menyerap neutron) yang kecil.
27
3. Memiliki tampang lintang hamburan yang besar. 4. Memiliki daya hantar panas yang baik. 5. Tidak korosif, Contoh : H2O, D2O, grafit, berilium, dll.
c. Batang Kendali Jika keluaran daya dari sebuah reaktor dikehendaki konstan, maka jumlah netron yang dihasilkan harus dikendalikan. Sebagaimana diketahui, setiap terjadi proses fisi ada sekitar 2 sampai 3 netron baru terbentuk yang selanjutnya menyebakan proses berantai. Jika netron yang dihasilkan selalu konstan dari waktu ke waktu (faktor multiplikasinya bernilai 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi kritis. Sebuah reaktor normal bekerja pada kondisi kritis. Pada kondisi ini reaktor menghasilkan keluaran energi yang stabil. Jika netron yang dihasilkan semakin berkurang (multiplikasinya kurang dari 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi subkritis dan daya yang dihasilkan semakin menurun. Sebaliknya jika setiap saat netron yang dihasilkan meningkat (multiplikasinya lebih besar dari 1), reaktor dikatakan dalam keadaan superkritis. Selama kondisi superkritis, energi yang dibebaskan oleh sebuah reaktor meningkat. Jika kondisi ini tidak dikendalikan, meningkatnya energi dapat mengakibatkan mencairkan sebagain atau seluruh teras reaktor, dan pelepasan bahan radioaktif ke lingkungan sekitar. Jelas bahwa sebuah mekanisme kendali sangat diperlukan untuk menjaga reaktor pada keadaan normal atau kondisi kritis. Kendali ini dilakukan oleh sejumlah batang kendali yang dapat bergerak keluarmasuk teras reaktor. Batang kendali terbuat dari bahan-bahan penyerap netron, seperti boron dan kadmium. Jika reaktor menjadi superkritis, batang kendali secara otomatis bergerak masuk lebih dalam ke dalam teras reaktor untuk menyerap kelebihan netron yang menyebabkan kondisi itu kembali ke kondisi kritis. Sebaliknya, jika reaktor menjadi subkritis, batang kendali sebagian ditarik menjauhi teras reaktor sehingga lebih sedikit netron yang diserap. Dengan demikian, lebih banyak netron tersedia untuk reaksi fisi dan reaktor kembali ke kondisi kritis. Untuk
28
menghentikan operasi reaktor (misal untuk perawatan), batang kendali turun penuh sehingga seluruh netron diserap dan reaksi fisi berhenti. d. Pendingin reaktor Pendingin reaktor berfungsi sebagai sarana pengambilan panas hasil fisi dari dalam elemen bakar untuk dipindahkan /dibuang ke tempat lain/lingkungan melalui perangkat penukar panas. Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi meningkatkan suhu reaktor. Suhu ini dipindahkan dari reaktor dengan menggunakan bahan pendingin, misalnya air atau karbon dioksida. Bahan pendingin (air) disirkulasikan melalui sistem pompa, sehingga air yang keluar dari bagian atas teras reaktor digantikan air dingin yang masuk melalui bagin bawah teras reaktor. Bahan yang baik sebagai pendingin adalah fluida yang koefisien perpindahan panasnya sangat bagus, memiliki tampang lintang serapan neutron yang kecil, dan tampang lintang hamburan yang besar serta tidak korosif. Contoh : H2O, D2O, Na cair, gas He dll. e. Perisai Beton Inti-inti atom hasil pembelahan dapat menghasilkan radiasi. Untuk menahan radiasi ini (radiasi sinar gamma, netron dan yang lain), agar keamanan orang yang bekerja di sekitar reaktor terjamin, maka umumnya reaktor dikungkungi oleh perisai beton. f. Perangkat detector Detektor adalah komponen penunjang yang mutlak diperlukan di dalam reaktor nuklir. Semua informasi tentang kejadian fisis di dalam teras reaktor, yang meliputi popularitas neutron, laju pembelahan, suhu dan lain-lain hanya dapat dilihat melalui detektor yang dipasang di dalam teras.
29
g. Reflektor Neutron yang keluar dari pembelahan bahan fisil, berjalan dengan kecepatan tinggi ke segala arah. Karena tidak bermuatan listrik maka gerakan neutron tsb bebas menembus medium dan tidak berkurang bila tidak menumbuk inti atom medium. Sebagian neutron tsb dapat lolos keluar teras reaktor, atau hilang dari sistem. Kondisi demikian merugikan. Untuk mengurangi kejadian tsb, maka sekeliling teras reaktor dipasang bahan pemantul neutron yang disebut “Reflektor”, sehingga neutron-neutron yang lolos akan bertahan dan dikembalikan ke dalam teras untuk dimanfaatkan lagi pada proses fisi berikutnya. Bahan reflektor yang baik adalah unsur-unsur yg mempunyai tampang lintang hamburan neutron yang besar, dan tampang lintang seraapan yg sekecil mungkin serta tidak korosif. Contoh : Berilium, Grafit, Parafin, H2O, D2O. h. Perangkat penukar panas Perangkat penukar panas (Heat Exchanger) merupakan komponen penunjang yang berfungsi sebagai sarana pengalihan panas dari pendingin primer, yang menerima panas dari elemen bakar, untuk diberikan pada fluida pendingin yang lain (sekunder). Dengan sistem pengambilan panas tsb maka integritas komponen teras akan selalu terjamin. Pada jenis reaktor tertentu, terutama PLTN heat exchanger juga berfungsi sebagai fasilitas pembangkit uap. 2.5.3 Jenis-Jenis Reaktor Nuklir 1. Jenis Reaktor Nuklir Berdasarkan Tipe Reaksi a. Reaktor Fisi Reaktor fisi merupakan instalasi yang menghasilkan daya panas secara konstan dengan memanfaatkan reaksi fisi berantai. Istilah ini dibedakan dengan reaktor fusi yang memanfaatkan panas dari reaksi fusi. Dimungkinkan adanya reaktor yang memadukan kedua jenis tersebut (reaktor hibrid).
30
b. Reaktor Fusi Reaktor fusi adalah suatu instalasi untuk mengubah energi yang terjadi pada reaksi fusi menjadi energi panas atau listrik yang mudah dimanfaatkan. Reaksi fusi merupakan reaksi penggabungan inti atom ringan, misalnya reaksi antara deuterium dan tritium. 2.Jenis Reaktor Nuklir Berdasarkan Penggunaannya a. Reaktor Riset Sesuai dengan namanya, reaktor ini dipergunakan untuk kepentingan riset/penelitian. Selain itu, reaktor riset juga dipergunakan untuk memproduksi isotop-isotop radioaktif yang nantinya digunakan pada bidang kedokteran, material, pertanian, dan lain-lain. Reaktor riset ini diusahakan agar daya yang dihasilkan sekecil mungkin. Indonesia sendiri memiliki 3 buah reaktor riset yakni reaktor TRIGA 2000 Bandung, Reaktor Kartini Yogyakarta dan Reaktor G.A. Siwabessy, Serpong). Pada reaktor riset energi hasil reaksi fisi dibuang ke lingkungan karena pada dasarnya hasil reaksi yang diambil dari reaktor riset ini adalah partikel neutronnya saja agar bisa digunakan untuk produksi isotop radioaktif, analisis material, dan lain-lain. b. Reaktor Daya Reaktor daya merupakan reaktor nuklir yang digunakan untuk kepentingan komersial. Reaktor ini memanfaatkan energi hasil dari reaksi fisi untuk menguapkan air sehingga uap tersebut dapat memutar turbin, dan turbin akan memutar generator listrik. 3.Jenis Reaktor Nuklir Berdasarkan Energi Neutron yang Digunakan Neutron merupakan partikel yang memicu terjadinya reaksi fisi nuklir. Besar kecilnya energi neutron dapat mempengaruhi parameter neutronik bahan bakar reaktor nuklir karena besarnya cross section amat dipengaruhi oleh energi atau kecepatan neutron yang digunakan. Oleh karena itu, reaktor nuklir pun dibedakan berdasarkan energi neutron yang digunakannya.
31
Gambar 2.18 : Jenis-Jenis Neutron 4.Jenis Reaktor Nuklir Berdasarkan Pendingin Reaktor nuklir membutuhkan pendingin agar suhu yang dicapai oleh reaktor tidak melebihi suhu batas yang ditentukan. Ada banyak macam pendingin yang digunakan misalnya air ringan, air berat, gas, garam cair (molten salt), logam cair (liquid metal) dan lain-lain. Berikut ini beberapa jenis reaktor yang populer diketahui saat ini. a. Reaktor Air Ringan / Light Water Reactor (LWR) Light Water Reactor (LWR) merupakan reaktor termal yang menggunakan air ringan sebagai pendingin sekaligus moderator. Yang dimaksud air ringan disini adalah H2O dengan isotop hidrogen H-1. LWR merupakan tipe reaktor yang paling banyak digunakan di dunia. Reaktor tipe LWR yang paling populer selama ini adalah Pressurized Water Reactor (PWR) dan Boiling Water Reactor (BWR). Pada BWR, panas yang dihasilkan oleh fisi mengubah air menjadi uap yang langsung dialirkan untuk menggerakkan turbin pembangkit listrik. Lain halnya dengan PWR, pada reaktor tipe ini panas yang dihasilkan oleh fisi ditransfer ke loop sekunder melalui penukar panas. Uap dihasilkan di loop sekunder, dan uap di loop sekunder ini dialirkan untuk menggerakkan turbin pembangkit listrik. Pada kedua reaktor ini, setelah uap mengalir melalui turbin, uap berubah kembali menjadi air di kondensor. Skema transfer panas untuk reaktor tipe BWR dapat dilihat pada gambar 2. Sedangkan untuk tipe PWR bisa dilihat pada gambar berikut ini.
32
Gambar 2.19: Skema transfer panas pada PWR (wikipedia) Reaktor PWR menggunakan pressurizer untuk mengatur tekanan pendingin primer agar tetap stabil. b. Reaktor Air Berat / Heavy Water Reactor (HWR) Reaktor tipe ini menggunakan air berat sebagai pendingin. Air berat yang dimaksud adalah D2O, D adalah deutrium yang merupakan isotop hidrogen dengan nomor masa 2 (H-2). Reaktor ini umumnya menggunakan uranium alam tanpa pengayaan sebagai bahan bakarnya. Pendingin air berat terjaga oleh tekanan, memungkinkan untuk dipanaskan sampai suhu yang lebih tinggi tanpa mendidih, seperti halnya PWR. Reaktor beroperasi tanpa pengayaan bahan bakar dan umumnya meningkatkan kemampuan reaktor agar secara efisien memanfaatkan siklus bahan bakar di dalamnya. Salah satu jenis HWR adalah CANDU (Canadian Deuterium Uranium) yang merupakan reaktor nuklir di Kanada. CANDU menghasilkan listrik dengan cara yang sama seperti pembangkit listrik bahan bakar fosil. Panas dihasilkan dari “pembakaran” bahan bakar dan digunakan untuk menggerakkan turbin uap yang biasanya terletak di “power hall” terpisah. Bahan bakar tersebut dikeluarkan dari reaktor dan disimpan sebagai limbah radioaktif tingkat tinggi. Berikut ini skema pengoperasian reaktor nuklir jenis CANDU yang dari wikipedia.
33
Gambar 2.20: Skema pengoperasian CANDU (wikipedia)
3.Reaktor Berpendingin Gas / Gas Cooled Reactor (GCR) Gas Cooled Reactor adalah pembangkit listrik yang menggunakan gas sebagai pendingin reaktor. Panas diambil oleh gas selama proses pendinginan reaktor yang kemudian digunakan secara tidak langsung untuk menghasilkan uap dimana uap tersebut digunakan untuk menggerakan turbin, atau pada kasus lain pendingin yang mengambil panas ini dapat digunakan secara langsung sebagai fluida kerja dari turbin gas sehingga tidak memerlukan sirkuit uap terpisah. Tentu saja kedua pendekatan ini memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Moderator yang digunakan pada jenis reaktor ini adalah grafit yang memiliki kelebihan tetap stabil di bawah kondisi radiasi tinggi serta suhu tinggi. Contoh reaktor berpendingin gas adalah Gas Cooled Fast Reactor (GCFR). Berikut ini diperlihatkan skema sirkuit dari GCFR.
34
Gambar 2.21: Skema sirkuit GCFR (oektg.at) Seperti ditunjukkan pada gambar di atas, GCFR menggunakan spektrum neutron cepat dengan pendingin helium. Menggunakan siklus bahan bakar tertutup. Bahan bakar merupakan komposit keramik yang terbungkus dengan rapih, dilapisi (U, Pu)C. Reaktor ini didesain memiliki suhu output 850 ° C yang memungkinkan untuk menghasilkan hidrogen atau memproses panas dengan efisiensi konversi yang tinggi.
4.Reaktor Berpendingin Logam Cair / Liquid Metal Cooled Reactor (LMCR) Reaktor Berpendingin Logam Cair merupakan tipe reaktor cepat, digunakan logam cair untuk menjaga agar neutron tetap berada pada spektrum neutron cepat. Reaktor ini biasanya sangat kompak dan bisa juga berpotensi digunakan untuk sumber energi kapal angkatan laut. Meskipun pada saat ini ada reaktor berpendingin logam cair yang digunakan sebagai pembangkit listrik, sebagian besar contoh merupakan prototipe yang telah dibangun di seluruh dunia sebagai reaktor eksperimental. Contoh dari reaktor tipe ini antara lain adalah Sodium Cooled Fast Reactor (SCFR) dan Lead Cooled Fast Reactor (LCFR). Berikut ini ditampilkan skema sirkuit dari kedua reaktor tersebut.
35
Gambar 2.22: Skema sirkuit SFR
Gambar 2.23: Skema sirkuit LFR
36
5.Reaktor Garam Cair / Molten Salt Reactor (MSR) Molten Salt Reactor (MSR) merupakan reaktor fisi nuklir dimana pendingin primer, atau bahkan bahan bakar itu sendiri merupakan campuran garam cair. MSRs dijalankan pada suhu yang lebih tinggi dari reaktor berpendingin air untuk efisiensi termodinamika yang lebih tinggi, namun tekanan uap rendah. Proyek penelitian MSR sudah dilakukan sejak tahun 60-an, namun sampai saat ini belum digunakan untuk keperluan komersial. Salah satu alasannya adalah bahwa banyak modal penelitian nuklir berasal dari militer, dan teknologi MSR skala besar biasanya kurang diminati untuk keperluan sumber energi kapal selam dan kapal induk dibandingkan LWR yang berukuran relatif lebih kecil. selain itu, MSR membutuhkan fasilitas terpisah untuk menyaring campuran inti (bahan bakar). Namun, untuk keperluan produksi listrik secara massal, desain MSR memiliki beberapa keuntungan, terutama berkaitan dengan dua isu utama yakni aspek keselamatan dan aspek ekonomi. Berikut ini adalah gambar skema sirkuit Molten Salt Reactor.
Gambar 2.24: Skema sirkuit MSR (wikipedia)
2.6. Pengertian Kolom Distilasi 2.6.1 Definisi Distilasi
37
Distilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan menguap (volatilitas) bahan atau didefinisikan juga teknik pemisahan kimia yang berdasarkan perbedaan titik didih. Dalam penyulingan, campuran zat dididihkan sehingga menguap, dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu. Metode ini merupakan termasuk unit operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan proses ini didasarkan pada teori bahwa pada suatu larutan, masing-masing komponen akan menguap pada titik didihnya. Model ideal distilasi didasarkan pada Hukum Raoult
Gambar 2.25 Distilasi
2.6.2. Pembagian Destilasi 1. Distilasi berdasarkan prosesnya terbagi menjadi dua, yaitu : Distilasi kontinyu Distilasi batch 2. Berdasarkan basis tekanan operasinya terbagi menjadi tiga, yaitu : Distilasi atmosferis Distilasi vakum Distilasi tekanan 3. Berdasarkan komponen penyusunnya terbagi menjadi dua, yaitu : Destilasi system biner Destilasi system multi komponen 4. Berdasarkan system operasinya terbagi menjadi dua, yaitu :
38
Single-stage Distillation Multi stage Distillation 5. Selain pembagian macam destilasi, dalam referensi lain menyebutkan macammacam destilasi, yaitu : Destilasi sederhana Destilasi bertingkat ( fraksional ) Destilasi azeotrop Destilasi vakum Refluks / destruksi Destilasi kering 2.6.3. Definisi Kolom Distilasi Suatu alat yang digunakan dalam proses distilasi. Kolom itu sendiri merupakan alat dengan isolasi pada ruang hampa yang sebelumnya diujicobakan pada suhu 2000C.
Gambar 2.26 Kolom Distilasi 2.6.4. Bagian-bagian utama dalam kolom destilasi :
Sebuah Shell vertikal dimana pemisahan komponen liquid terjadi, terdapat pada bagian dalam kolom (internal column) seperti tray atau plate dan packing yang digunakan untuk meningkatkan derajat pemisahan komponen.
Sebuah Reboiler untuk menyediakan penguapan yang cukup pada proses destilasi.
Kondenser untuk mendinginkan dan mengkondensasikan uap yang keluar dari atas kolom.
39
Reflux drum untuk menampung uap yang terkondensasi dari top kolom sehingga liquid(reflux) dapat di recycle kembali ke kolom.
2.7.
Type kolom destilasi berdasarkan tipe internal column
1. Tray dan Plate Istilah “tray” dan “plate” adalah sama. Adabanyak tipe desain tray, tetapi yang paling umum adalah: a. Bubble cap tray Bubble-cup biasanya didesain di atas plate pada sudut equilateral triangular, denganbaris yang disesuaikan secara normal dengan arah aliran menyilang plate. Bubble cap tray mempunyai tingkat-tingkat atau cerobong yang terpasang di atas hole (lubang), dan sebuah “cap” yang menutupitingkat-tingkat. Bubble cap tray digunakan pada kondisi aliran rendah, di mana tray harus tetap basah, kecuali kondisi bentuk polymer, coking, atau fouling yang tinggi.
Gambar 2.27 Bubble cap tray b. Valve Tray Pada valve tray, perforasi (lubang-lubang kecil) ditutupi dengan valve yang mudah dilepas. Uap naik melalui perforasi pada tray, bubble pada liquid berbentuk sama. Valve yang terangkat menunjukkan uap mengalir horizontal ke dalam liquid, dengan demikian menyediakan campuran yang mungkin terjadi dalam sieve tray.
40
Gambar 2.28 Valve Tray. c.
Sieve Tray Adalah plate metal sederhana dengan lubang diantaranya. Vapor lewat ke atas
melalui liquid pada plate. Jumlah dan ukuran lubang menjadi parameter desain. Karena luas range operasi, kemudahan perawatan, dan factor biaya, kebanyakan aplikasinya sievedan valve tray diganti dengan bubble cup tray
Gambar 2.27 Sieve Tray 1. packed tower
41
Gambar 2.30 Packed Tower Packing yang digunakan pada packed tower adalah untuk memperbesar luas permukaan kontak antara gas dan liquid. Keuntungan dari penggunaan Packed Tower sebenarnya ada banyak, diantaranya sebagai berikut : a. Presure drop aliran gas rendah. b. Dapat lebih ekonomis di dalam operasi cairan korosif karena ditahan untuk packing keramik. c. Biaya column dapat lebih murah dari plate column pada ukuran diameter yang sama. d. Cairan hold up kecil.
2.8. Aplikasi Kolom Distilasi a. Salah satu penerapan terpenting dari metode distilasi adalah pemisahan minyak mentah menjadi bagian-bagian untuk penggunaan khusus seperti untuk transportasi, pembangkit listrik, pemanas, dll. Udara didistilasi menjadi komponen-komponen seperti oksigen untuk penggunaan medis dan helium untuk pengisi balon. b. Distilasi juga telah digunakan sejak lama untuk pemekatan alkohol dengan penerapan panas terhadap larutan hasil fermentasi untuk menghasilkan minuman suling.
42
c. Selain itu ada juga dalam laboratory scale, industrial distillation dan food processing. d. Banyak digunakan dalam proses perpindahan massa.
.
BAB III KESIMPULAN 1. Reaktor adalah satu alat proses tempat terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia maupun nuklir. 2. Reaktor terbagi menjadi 2 jenis, yaitu reaktor kimia dan reaktor nuklir yang terbagi kembali berdasarkan beberapa faktor seperti bentuknya, prosesnya, reaksi yang terjadi, dan lain-lain.
43
3. Fluid-fluid reaktor terbagi menjadi 3, yaitu bubble tank, agitated tank, dan spray tower.
44
