1. PROSIDING
SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004
ISSN : 1411 - 4216
PENGARUH LAJU ALIR DAN VISKOSITAS TERHADAP PERPINDAHAN MASSA GAS-CAIR FLUIDA NON NEWTONIAN
DALAM REAKTOR AIR LIFT RECTANGULAR
Widayat
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto SH, Tembalang, Semarang E-mail: yayat_99@yahoo.com
Abstrak Reaktor Air Lift merupakan salah satu jenis bioreaktor yang banyak digunakan dalam proses fermentasi secara aerob. Parameter yang berpengaruh dalam perancangan reaktor air lift adalah hidrodinamika reaktor dan koefisien perpindahan massa. Makalah ini memaparkan pengaruh laju alir udara dan viskositas terhadap koefisien perpindahan massa gas cair pada reaktor air lift dengan fluida non Newtonian. Reaktor air lift berbentuk rectangular dengan dimensi tinggi 106 cm, luas daerah riser 14,2 x 8,3 cmdan downcomer 14,2 x 5,5 cm. Fluida non Newtonian yang digunakan adalah larutan tepung pati dengan viskositas 1,5 –7,7 cp dan udara yang digunakan berasal dari kompresor dengan laju alir pada rentang 40 – 250 cc/detik. Pengukuran koefisien perpindahan massa dengan menggunakan metode sulfit, dimana larutan natrium sulfit ditambahkan ke dalam fluida dan oksigen terlarutnya dianalisa setiap 3 menit selama 15 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa bertambahnya viskositas fluida akan menurunkan koefisien perpindahan massa gas cair, sedangkan bertambahnya laju alir udara akan menaikkan koefisien perpindahan massa gas cair. Hubungan konstanta perpindahan massa terhadap laju alir dan viskositas diperoleh persamaan sebagai berikut; kLa = 4.561 x 10 (J)(1+A/A)μ, sedangkan penelitian yang dilakukan Popovic dan Robinson dengan menggunakan larutan CMCdiperoleh hubungan kLa = 1.911 x 10 (J)(1+A/A)μ. Dalam penelitian ini perbandingan luas area riser dan downcomer konstan, pada harga (1+A/A). 2 2-4Gr0.206 dr0.853 -0.425app-4Gr0.525 dr0.853 app-0.89dr0.853
Kata kunci : reaktor air lift, perpindahan massa gas-cair, fluida non newtonian
Pendahuluan
Reaktor adalah suatu alat tempat terjadinya suatu reaksi kimia untuk mengubah suatu bahan menjadi bahan lain yang mempunyai nilai ekonomis yang lebih tinggi. Reaktor air lift merupakan reaktor bergelembung yang mengandung pipa/tabung untuk aliran gas. Pada reaktor air lift dibagi menjadi dua bagian dengan penyekat yaitu zone riser dan downcomer. Riser merupakan bagian dengan sirkulasi aliran tempat mengalir gas atau merupakan kolom yang berisi cairan atau slurry yang disemprotkan gas, sedangkan downcomer merupakan bagian yang kedua dan tempat sirkulasi aliran dalam reaktor. Perbedaan hold up gas pada daerah yang dialiri gas maupun yang tidak dialiri gas merupakan akibat perbedaan densityfluida pada kedua daerah tersebut. Perbedaan ini mengakibatkan terjadinya sirkulasi fluida dalam reaktor. Pada riser dan downcomer mungkin terdapat plate penyaringan dan baffle pada dinding. Jadi banyak sekali kemungkinan bentuk reaktor dengan keuntungan penggunaan dan tujuan yang berbeda-beda. Reaktor air lift digunakan untuk beberapa proses kontak gas cairan atau gas - slurry. Reaktor ini sering digunakan untuk fermentasi aerob, pengolahan limbah dan operasi-operasi sejenis. Secara umum reaktor air lift dibagi menjadi dua yaitu : reaktor air lift dengan internal loop, merupakan bubble column yang dibagi menjadi dua bagian riser dan downcomer dengan internal baffle, dan external loop, dimana riser dan downcomer merupakan dua tabung yang terpisah dan dihubungkan secara horizontal antara bagian atas dan bawah reaktor. Selain itu reaktor air lift juga dikelompokkan berdasarkan sparger yang dipakai, yaitu statis dan dinamis. Pada reaktor air lift dengan sparger dinamis, sparger ditempatkan pada riser dan atau downcomer yang dapat diubah-ubah letaknya.
Reaktor air lift mempunyai banyak keuntungan dibandingkan dengan reaktor konvensional (Williams, 2002). Keuntungan itu diantaranya perancangannya sederhana, aliran dan pengadukan mudah
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK I-9-1
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
2. dikendalikan, waktu tinggal dalam reaktor seragam, kontak area lebih luas dengan energi input yang rendah dan dapat meningkatkan perpindahan massa. Kelemahan reaktor air lift antara lain : biaya investasi awal mahal terutama untuk skala proses yang besar, membutuhkan tekanan yang tinggi untuk skala proses yang besar, pemisahan gas dan cairan tidak efisien ketika terjadi busa (foaming). Meskipun sudah banyak keberhasilan di industri dari penggunaan air lift, namun macam penggunaannya masih sangat terbatas, karena sedikitnya literature tentang konsep dasar yang digunakan dalam perancangan. Penelitian tentang perpindahan massa pada fluida non-newtonian yang telah dilakukan adalah perpindahan massa pada larutan CMC dan larutan xanthan. Penelitian ini menggunakan reaktor tangki berpengaduk dan hasil penelitian menunjukkan bahwa bertambahnya laju alir gas/udara akan menaikkan koefisien perpindahan massa (Martinov dan Vlaev, 2002). Perpindahan massa gas-cair pada cairan organik (metanol, air, toluen dan ligroin) dalam reaktor bergelembung, menunjukkan bahwa kenaikan laju volumetrik juga akan menyebabkan kenaikan koefisien perpindahan massa (Grund, Schumpe dan Deckwer, 1992), demikian juga dengan koefisien perpindahan massa gas-cair pada fluida non-newtonian (larutan CMC) juga diperoleh fenomena yang sama (Deckwer 1991 dalam Merchuk dan Ben-Zvi, 1992).
Perpindahan massa adalah suatu proses yang ditandai dengan adanya perpindahan konstituen melalui konstituen lainnya pada ukuran molekul. Perpindahan massa antar fase dapat terjadi bila terdapat perbedaan konsentrasi dimana massa akan berpindah dari sistem yang lebih tinggi konsentrasinya ke sistem dengan konsentrasi yang lebih rendah. Perpindahan massa oksigen terjadi jika ada beda konsentrasi (driving force) antara fase gas dengan fase cair dan adanya kontak antara fase gas-cair. Kecepatan perpindahan massa sangat dipengaruhi oleh koefisien perpindahan massa antara fase gas-cair. Koefisien perpindahan massa ini dipengaruhi secara langsung oleh laju alir gas di dalam reaktor, laju alir cairan, viskositas, densitas, suhu, diameter gelembung gas di dalam cairan, dan difusivitas efektif gas di dalam cairan. Koefisien perpindahan massa oksigen ini dapat diukur dengan menggunakan metode sulfit.
Metode Penelitian
Reaktor air lift yang digunakan berbentuk rectangular dengan dimensi tinggi 106 cm, luas daerah riser 14,2 x 8,3 cm dan downcomer 14,2 x 5,5 cm. Fluida non Newtonian yang digunakan adalah larutan tepung pati dengan viskositas 1,5 –7,7 cp dan udara diperoleh dari kompresor. Percobaan dilakukan pada suhu kamar 30 C dan tekanan 1 atm. Laju volumetrik udara divariasi pada rentang 40 – 250 cc/detik. Percobaan pendahuluan dilakukan dengan mengkalibrasi flow meter. Kalibrasi digunakan untuk mengetahui laju alir udara yang terukur dalam alat flowmeter, yaitu dengan memvariasi skala pada flow meter dan diukur volume udara pada waktu tertentu pada rotameter, selanjutnya diplotkan grafik hubungan laju alir volumetrik udara dengan skala pada alat flow meter.
22o
Untuk mempelajari perpindahan massa gas cair menggunakan konsentrasi tepung pati konstan 4% dengan memvariasi laju alir udara 40 – 250 cc/detik dan dengan memvariasi viskositas 1,5 –7,7 cp pada laju alir konstan 176 cc/detik. Untuk menghitung laju pengurangan konsentrasi natrium sulfit menggunakan metode grafik, yaitu dengan memplotkan natrium sulfit sisa dengan waktu dan gradien merupakan nilai laju pengurangan natrium sulfit. Peralatan yang digunakan untuk penelitian seperti disajikan dalam Gambar 1..
5
6 7
4
8
1
2 4 3
Keterangan gambar :
1. kompresor
2. rotameter
3. tangki cairan
4. pompa
5. reaktor
6. inverted manometer
riser
7. invereted manometer
downcorner
8. sparger
Gambar 1. Rangkaian alat percobaan hidrodinamika reaktor airlift
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK I-9-2
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
3. Hasil Dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan bahwa bertambahnya viskositas larutan tepung pati akan menyebabkan penurunan koefisien perpindahan massa gas-cair. Penurunan nilai koefisien perpindahan massa karena dengan bertambahnya viskositas larutan tepung pati, maka larutan akan semakin jenuh sehingga laju perpindahan oksigen akan semakin kecil. Hal ini mengakibatkan koefisien perpindahan massa semakin berkurang juga. 0246810120,01,53,04,56,07,59,0Viskositas (cp) kLa (x 10^-4 / menit)
Gambar 2. Pengaruh viskositas terhadap koefisien perpindahan massa (kLa) pada laju alir udara 176 cc/dt dan tinggi cairan 80 cm 02468101214050100150200250laju alir udara (cc/dt) kLa (x10^-4 / menit)
Gambar 3. Pengaruh laju alir udara terhadap koefisien perpindahan massa (kLa) pada laju alir udara 176 cc/dt dan tinggi cairan 80 cm
Gambar 3 menunjukkan bahwa bertambahnya laju alir udara akan mengakibatkan peningkatan koefisien perpindahan massa. Laju alir udara semakin besar maka udara yang dapat dipindahkan ke dalam larutan tepung pati akan semakin besar pula. Dengan demikian koefisien perpindahan massa gas ke cair juga akan bertambah besar. Fenomena ini sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan untuk reaktor tangki maupun reaktor bergelembung.
Perbandingan Hasil Terhadap Transfer Massa
Pada percobaan Popovic dan Robinson dengan menggunakan larutan CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) pada reaktor air lift external loop (Asenjo dan Merchuck, 1995) didapatkan hubungan antara
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK I-9-3
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
4. koefisien transfer massa gas-cair dengan laju alir udara, viskositas dan luas area riser dan downcomer, persamaan :
kLa = 1.911 x 10-4 (JG)r0.525 (1+Ad/Ar)0.853 μapp-0.89
Pada percobaan kali ini dengan menggunakan larutan pati pada viskositas 1,5 –7,7 cp dan rentang laju alir udara 45 - 204 cc/s pada reaktor air lift internal loop didapatkan hubungan persamaan :
kLa = 4.561 x 10-4 (JG)r0.206 (1+Ad/Ar)0.853 μapp-0.425
Pada percobaan luas area riser dan downcomer konstan, dan harga (1+Ad/Ar)0.853 dianggap sama dengan persamaan yang didapat Popovic dan Robinson.
Dari kedua penelitian ini didapat kecenderungan yang sama yaitu semakin besar laju alir gas maka koefisien perpindahan massa gas-cair semakin besar dan dengan bertambahnya viskositas larutan maka akan menurunkan koefisien perpindahan massa gas-cair. Adapun perbedaan hasil konstanta yang didapatkan disebabkan karena fluida dan jenis reaktor air lift yang digunakan tidak sama.
Kesimpulan Penelitian tentang transfer massa gas-cair dengan larutan tepung pati dalam reaktor air lift rectangular dilakukan pada rentang viskositas 1,5 –7,7 cp dan laju alir udara pada rentang 40 – 225 cc/detik. Berdasarkan hasil penelitian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Kenaikan viskositas akan mengakibatkan penurunan koefisien transfer massa gas-cair
2. Kenaikan laju alir udara akan mengakibatkan kenaikan koefisien transfer massa gas-cair
Hubungan konstanta perpindahan massa terhadap laju alir dan viskositas diperoleh persamaan sebagai berikut; kLa = 4.561 x 10-4 (JG)r0.206 (1+Ad/Ar)0.853 -0.425μapp, sedangkan penelitian yang dilakukan Popovic dan Robinson dengan menggunakan larutan CMCdiperoleh hubungan kLa = 1.911 x 10-4 (JG)r0.525 (1+Ad/Ar)0.853 μapp-0.89. Dalam penelitian ini perbandingan luas area riser dan downcomer konstan, pada harga (1+Ad/A)0.853.
r
Ucapan Terima Kasih
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Didik Susilo dan Sigit Pranoto yang telah membantu pelaksanaan penelitian ini.
Daftar Notasi
A = luasan bidang pada zona riser , cm r2
Ad = luasan bidang pada zona downcomer, cm2
JG = laju alir gas, cm/s
kLa = koefisien transfer massa, s-1
μapp = viskositas, cp
Daftar Pustaka
1. Chisti, M.Y., 1989, ”Air-lift Bioreactor “, El Sevier Applied Science, London.
2. Grund, G, A. Schumpe dan W.D.Deckwer, 1992, “Gas-Liquid Mass Transfer in A Bubble Column with Organic Liquids”, Chem. Eng.Sci., hal 3509-3516, Pergamin Press Ltd.
3. Merchuk, J.C. dan S. Ben-Zvi (Yona), 1992, “A Novel Approach to The Correlation of Mass Transfer Rates in Bubble Column with Non-Newtonian Liquids”, Chem. Eng. Sci., hal 3517-3523, Pergamon Press Ltd.
4. Merchuk, J.C. dan Asenjo, J.A. , 1995, “Fundamental of Bioreactor Design”, New York, Marcell Dekker Inc.
5. Martinov, M dan S.d. Vlaev, 2002, “Increasing Gas-Liquid Mass Transfer in Stirred Power Law Fluids by Using a New Energy-Saving Impeller”, Chem. Biochem. Eng. Q.16 (1-6).
6. Williams, J.A., 2002, “Keys To Bioreactor Selections”, Chem. Eng. Prog, hal 34-41.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK I-9-4
UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
