BAB III Reaktor Bed Slurry
3.1. Reaktor Slurry Reaktor slurry adalah aliran multiphase reaktor di mana gas reaktan ditiupkan melalui larutan yang mengandung katalis partikel padat. Reaktor slurry dapat dioperasikan secara
batch atau kontinyu. Reaktor slurry sendiri
dikelompokkan menjadi dua, yaitu: reaktor slurry dengan internal loop dan external loop. Reaktor slurry dengan internal loop merupakan kolom bergelembung yang dibagi menjadi 2 bagian, riser dan downcomer dengan internal baffle dimana bagian atas dan bawah raiser dan downcomer terhubung. Reaktor air-lift dengan eksternal loop merupakan kolom bergelembung dimana riser dan downcomer merupakan 2 tabung yang terpisah dan dihubungkan secara horizontal antara bagian atas dan bawah reaktor. Selain itu reaktor slurry juga dikelompokkan berdasarkan sparger yang dipakai, yaitu statis dan dinamis. Pada reaktor slurry dengan sparger dinamis, sparger ditempatkan pada riser dan atau downcomer yang dapat diubah-ubah letaknya. Satu dari keuntungan utama dari reaktor slurry adalah bahwa mengontrol suhu dan panas recovery yang mudah dicapai. Selain itu, aktivitas katalitik konstan keseluruhan dapat dipertahankan dengan penambahan sejumlah kecil katalis dengan masing-masing reuse selama operasi batch atau dengan umpan konstan selama operasi terus-menerus. Bentuk dari reactor ini adalah sebuah Autoklaf berpengaduk sederhana Tangki sederhana dilengkapi pompa untuk sirkulasi liquid dan padatan tersuspensi melewati external heat exchanger Bubble tray rectytying coloum dengan variasi stage dalam singgle shell Sebuah diagram skematik yang lebih rinci dari reaktor lumpur ditunjukkan pada Gambar 3.1. Dalam pemodelan reaktor slurry kita mengasumsikan bahwa fase cair tercampur, partikel katalis merata, dan fase gas dalam aliran plug. Reaktan dalam fase gas berpartisipasi dalam lima langkah reaksi:
Gambar 3.1 Reaktor slurry untuk hydrogenasi dari methyl linoleate. 1. Penyerapan dari fase gas ke fase cair pada permukaan gelembung 2. Difusi dalam fase cair dari permukaan gelembung untuk cairan massal 3. Difusi dari cairan bulk ke permukaan eksternal dari katalis padat 4. Difusi internal reaktan dalam katalis berpori 5. Reaksi dalam katalis berpori Produk reaksi ikut dalam langkah-langkah di atas, namun dalam urutan terbalik (5 sampai 1). Setiap langkah dapat dianggap sebagai perlawanan terhadap keseluruhan tingkat reaksi, RA. Resistensi ini ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2.1. Konsentrasi dalam fase cair berkaitan dengan konsentrasi fase gas melalui Hukum Henry :
𝐶i = 𝑃i . 𝐻 ′
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1)
Gambar 3.2 Langkah-langkah dalam reactor slurry
Salah satu hal yang ingin dicapai dalam analisis reaktor slurry adalah untuk belajar bagaimana untuk mendeteksi resistensi adalah yang terbesar dan bagaimana reaktor beroperasi untuk mengurangi resistensi dari langkah ini dan dengan demikian meningkatkan efisiensi reaktor.
Laju Penyerapan Gas, Laju penyerapan H, per satuan volume dengan menggunakan persamaan 𝑅𝐴 = 𝑘𝑏 . 𝑎𝑏 (𝐶𝑖 − 𝐶𝑏 ) … … … … … … … … … … … … … … … (2) Dimana : kb = Koefisien perpindahan massa untuk penyerapan gas (dm/s) ab = Luas permukaan gelembung (dm2/dm3 larutan) Ci = Konsentrasi H2 dalam minyak di minyak-H, antarmuka gelembung (mol/dm3) Cb = Sebagian besar H2 dalam larutan (mol/dm3)
𝑑𝑚 𝑑𝑚2 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑅𝐴 = ( 3 ) = 𝑠 𝑑𝑚 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑑𝑚3 (𝑑𝑚3 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛). 𝑠
Persamaan (2) merupakan transportasi dari anatarmuka gas-cair ke cairan bulk.
Transportasi ke Katalis, merupakan laju perpindahan massa H2 dari larutan bulk ke permukaan eksternal katalis untuk partikel katalis dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : 𝑅𝐴 = 𝑘𝑐 . 𝑎𝑝 . 𝑚(𝐶𝑏 − 𝐶𝑠 ) … … … … … … … … … … … … … … (3) Dimana : kc = Koefisien perpindahan massa untuk penyerapan gas (dm/s) ap = Luas permukaan eksternal dari partikel (dm2/gr katalis) m = Konsentrasi massa katalis (gr katalis/dm3 larutan) Cs = Konsentrasi H2 pada permukaan eksternal katalis (mol/dm3) Cb = Sebagian besar H2 dalam larutan (mol/dm3)
𝑑𝑚 𝑑𝑚2 𝑔𝑟 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑅𝐴 = ( 3 ) = 𝑠 𝑔𝑟 𝑑𝑚 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑑𝑚3 (𝑑𝑚3 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛). 𝑠
Difusi dan Reaksi dalam Katalis, Faktor efektivitas internal rasio laju reaksi sebenarnya, -rA, dengan laju r’AS yang akan ad ajika seluruh bagian dalam itu terkena konsentrasi reaktan pada permukaan ekternal, CAS. Sehingga akan mengakibatkan laju reaksi per satuan massa katalis menjadi persamaan sebagai berikut : −𝑟′𝐴 = ŋ(−𝑟 ′𝐴𝑠 ) … … … … … … … … … … … … … … … … … (4) Kemudian persamaan tersebut dikalikan dengan massa katalis per satuan volume, sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut : 𝑅𝐴 = 𝑚. ŋ(−𝑟 ′𝐴𝑠 ) … … … … … … … … … … … … … … … … … (5)
Hukum Laju, merupakan orde pertama dalam hydrogen dan orde pertama dalam linoleat. Namun, karena fase cair pada dasarnya semua linoleate, itu adalah lebih dan konsentrasi, CI, tetap hamper konstan pada konsentrasi awal, CLO, atau kecil untuk waktu reaksi moderat. −𝑟′𝐴 = 𝐾 ′ . 𝐶𝐿𝑂 . 𝐶 = 𝑘𝐶 … … … … … … … … … … … … … (6) Kemudian laju reaksi tersebut dievaluasi pada permukaan eksternal, sehingga persamaannya menjadi : −𝑟′𝐴𝑠 = 𝑘. 𝐶𝑠 … … … … … … … … … … … … … … … … . . . (7) Dimana : C = Konsenrasi hydrogen pada permukaan eksternal (mol/dm3) K = Laju reaksi spesifik (dm3/gr katalis.s)
Menentukan Tahap Batasan, dikarenakan pada setiap titik laju keseluruhan di kolom steady state laju transportasi dari gelembung sama denga laju transportasi ke permukaan katalis, yang pada dasarnya smaa dengan laju reaksi dalam katalis. Akibatnya untuk reactor campuran yang sempurna, atau dimana katalis, cairan, dan gelembug semua aliran ke atas bersama-sama dalam aliran plug, bahwa : 𝑅𝐴 = 𝑘𝑏 . 𝑎𝑏 (𝐶𝑖 − 𝐶𝑏 ) = 𝑘𝑐 . 𝑎𝑝 . 𝑚(𝐶𝑏 − 𝐶𝑠 ) = 𝑚. ŋ(−𝑟 ′𝐴𝑠 ) … … … … … (8) Persamaan (2) dan persamaan (7) dapat dirubah bentuknya menjadi : 𝑅𝐴 = 𝐶𝑖 − 𝐶𝑏 𝑘𝑏 . 𝑎𝑏 𝑅𝐴 = 𝐶𝑏 − 𝐶𝑠 𝑘𝑐 . 𝑎𝑝 . 𝑚 𝑅𝐴 = 𝐶𝑠 𝑚. 𝑘. ŋ Sehingga persamaan (8) menjadi :
1 1 1 𝑅𝐴 ( ) = 𝐶𝑖 … … … … … … … … … (9) 𝑘𝑏 . 𝑎𝑏 𝑘𝑐 . 𝑎𝑝 . 𝑚 𝑚. 𝑘. ŋ Maka, 𝐶𝑖 1 1 1 1 = + ( + ) … … … … … … … … (10) 𝑅𝐴 𝑘𝑏 . 𝑎𝑏 𝑚 𝑘𝑐 . 𝑎𝑝 𝑘. ŋ Kita misalkan sisi kanan sebagai perlawanan terhadap laju reaksi keseluruhan sehingga : 𝐶𝑖 1 = 𝑟𝑏 + (𝑟, +𝑟, ) … … … … … … … … … … … (11) 𝑅𝐴 𝑚 Atau 𝐶𝑖 1 = 𝑟𝑏 + 𝑟𝑐𝑟 … … … … … … … … … … … … … (12) 𝑅𝐴 𝑚 Dimana : 𝑟𝑏 =
𝑟𝑐 =
1 = 𝑘𝑒𝑡𝑎ℎ𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑟ℎ𝑎𝑑𝑎𝑝 𝑝𝑒𝑛𝑦𝑒𝑟𝑎𝑝𝑎𝑛 𝑔𝑎𝑠 (𝑠) 𝑘𝑏 . 𝑎𝑏
1 𝑘𝑐 . 𝑎𝑝
= 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑠𝑖 𝑘ℎ𝑢𝑠𝑢𝑠 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛𝑔𝑘𝑢𝑡 𝑘𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠 (𝑔𝑟 𝑘𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠.
Resistensi khusus untuk difusi dan reaksi dalam katalis gr Katalis.s/dm3 rcr = rc + rr = dikombinasikan resistesi khusus untuk difusi internal reaksi dan difusi eksternal , grcat.s /dm3 untuk reaksi selain orde pertama,
𝑠 ) 𝑑𝑚3
Melihat dari Persamaan (12) bahwa plot Ci / RA, sebagai fungsi timbal balik dari katalis loading (ll m) harus menjadi garis lurus. Kemiringan akan sama dengan spesifik resistensi gabungan rCE, dan intersep akan sama dengan resistensi penyerapan gas rb. Akibatnya, untuk mempelajari besarnya resistensi, kita akan bervariasi konsentrasi katalise., katalis loading, m) dan mengukur laju reaksi keseluruhan sesuai Dibawah Rasio resistensi penyerapan gas untuk resistensi difusional dan di dalam pelet pada katalis loading tertentu m adalah :
Gambar 3.3 Plot untuk menggambarkan resistensi kontrol Untuk mengubah ukuran katalis pelet (untuk membuat semakin lebih kecil). Karena penyerapan gas katalis dari ukuran partikel, yang akan tetap tidak akan berubah. Oleh karena itu, hanya ada satu percobaan yang diperlukan yaitu mengkombinasi diffusional dan tegangan reaksi rcr. Ukuran partikel akan dikurangi, kedua faktor efektivitas dan koefisien meningkatkan transfer massa.
Gambar 3.4 . a. gas adsorpsi kontrol b. difusi dan reaksi kontrol
Perpindahan Massa Perpindahan massa antar fase gas-cair terjadi karena adanya beda konsentrasi antara kedua fase, di mana massa akan berpindah dari sistem yang lebih tinggi konsentrasinya ke sistem dengan konsentrasi lebih rendah. Kecepatan perpindahan massa sangat dipengaruhi oleh koefisien perpindahan massa antara fase gas-cair. Koefisien perpindahan massa ini dipengaruhi secara langsung oleh laju alir gas dalam reaktor, laju alir cairan, viskositas, densitas, suhu, diameter gelembung gas di dalam cairan dan difusivitas gas di dalam cairan. Kecepatan perpindahan massa ini dapat ditentukan dengan koefisien perpindahan massa. Koefisien perpindahan masssa volumetric (KLa) adalah kecepatan spesifik dari perpindahan massa (gas teradsobsi per unit waktu, per unit luas kontak, per beda konsentrasi). KLa tergantung pada sifat fisik dari sistem dan dinamika fluida. Terdapat 2 istilah tentang koefisien transfer massa volumetric, yaitu:
a) Koefisien transfer massa KLa, dimana tergantung pada sifat fisik dari cairan dan dinamika fluida yang dekat dengan permukaan cairan.
b) Luas dari gelembung per unit volum dari reaktor c) Ketergantungan KLa pada energi masuk adalah kecil, dimana luas kontak adalah fungsi dari sifat fisik design geometri dan hidrodinamika. Pengukuran konstanta perpindahan massa gas-cair dapat dilakukan dengan metode sebagai berikut : 1. Metode OTR-Cd Dasar dari metode ini adalah persamaan perpindahan massa (persamaan 11) semua variabel kecuali K0A dapat terukur. Ini berarti bahwa dapat digunakan dalam sistem kebutuhan oksigen, konsentrasi oksigen dari fase gas yang masuk dan meninggalkan bioreaktor dapat dianalisa.
2. Metode Dinamik Metode ini berdasarkan pengukuran C0i dari cairan, deoksigenasi sebagai fungsi waktu, setelah aliran udara masuk. Deoksigenasi dapat diperoleh dengan mengalirkan oksigen melalui cairan atau menghentikan aliran udara, dalam hal ini kebutuhan oksigen dalam fermentasi . 3. Metode Serapan Kimia Metode ini berdasarkan reaksi kimia dari absorbsi gas (O2, CO2) dengan penambahan bahan kimia pada fase cair (Na2SO3, KOH). Reaksi ini sering digunakan pada reaksi bagian dimana konsentrasi bulk cairan dalam komponen gas = 0 dan absorpsi dapat mempertinggi perpindahan kimia.
4. Metode Kimia OTR-C0i Metode ini pada dasarnya sama dengan metode OTR-Cd. Namun, seperti diketahui beberapa sulfit secara terus-menerus ditambahkan pada cairan selama kondisi reaksi tetap dijaga pada daerah dimana nilai C0i dapat diketahui. C0i dapat diukur dari penambahan sulfit. Juga reaksi konsumsi oksigen yang lain dapat digunakan.
Keunggulannya: a) Pengadukan yang baik akan menjaga suhu seragam, b) Kapasitas panas tinggi c) Koefisien transfer panas liquid besar d) Ukuran partikel yang kecil dalam reaktor ini memungkinkan untuk memperoleh kecepatan reaksi per berat katalis yang lebih tinggi daripada pellet berukuran lebih besar e) Regenerasi secara kontinyu bisa dilakukan f) Jika digunakan katalis berbentuk serbuk maka proses pelleting tidak perlu dilakukan g) Semakin sama suhunya maka semakin baik pengendalian suhunya pada reaksi eksotermik yang tinggi dan semakin rendah pula difusi antar partikel
Kekurangannya: a) Rasio antara liquid dan katalis lebih tinggi dibandingkan trickel bed reactor b) Pembentukan mechanical design yang tidak plug up memilih liquid pembawa yang melarutkan reaktan dan kenaikan suhu pada saat kontak antara reaktan, produk dan katalis c) Menjaga keseimbangan katalisator di dalam reaktor tersebut d) Slurry reaktor sukar menerima katalis yang telah tertutupi