LAPORAN RESMI
PRAKTIKUM PROSES KIMIA
Materi :
HIDRODINAMIKA REAKTOR
Disusun Oleh :
MIA AJUNDASARI
Group
: 3/KAMIS
Rekan Kerja
: 1. MUHAMMAD ANAS ASY SYAQIQ
2. SHOFI AZKIYA GHASSANI
LABORATORIUM PROSES KIMIA
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
HALAMAN PENGESAHAN
LAPORAN RESMI
LABORATORIUM PROSES KIMIA
UNIVERSITAS DIPONEGORO
Laporan resmi yang berjudul Hidrodinamika Reaktor yang disusun oleh :
Group
: 3/Kamis
Anggota
: 1. Mia Ajundasari
2. Muhammad Anas Asy Syaqiq
3. Shofi Azkiya Ghassani
Telah disetujui oleh dosen pengampu pada :
Hari, Tanggal :
Nilai
:
Semarang,
2022
Dosen Pengampu
Asisten Pengampu
Prof. Dr. Ir. Luqman Buchori, S.T., M.T., IPM.
Narindra Putri Cendekia
NIP. 197105011997021001
NIM. 21030119130116
ii
RINGKASAN
Reaktor adalah alat yang digunakan untuk proses industri kimia yang dapat
mengubah bahan baku menjadi produk yang memiliki nilai ekonomis. Reaktor dapat
dibedakan menajdi beberapa klasifikasi, salah satunya berdasarkan fase reaksi yaitu
homogen dan heterogen. Percobaan hidrodinamika reaktor dilakukan untuk
mengetahui konsentrasi Na2SO3 pada reaktor terhadap hold-up gas (𝜀), laju sirkulasi
(VL), koefisien transfer massa gas-cair, serta untuk mengetahui pengaruh waktu
tinggal Na2SO3 terhadap KLa. Terdapat dua jenis reaktor air-lift, yaitu reaktor
dengan internal loop dan eksternal loop. Umumnya reaktor jenis tersebut digunakan
dalam proses kontak gas cairan atau slurry dan digunakan dalam proses bioproses.
Dalam perancangan bioreaktor, faktor yang memengaruhi adalah hidrodinamika
reaktor dan karakteristik cairannya. Hidrodinamika reaktor mempelajari perubahan
dinamika cairan dalam reaktor juga sangat berpengaruh karena perpindahan massa
berkaitan dengan kecepatan alir massa yang memengaruhi reaksi dalam reaktor.
Bahan percobaan hidrodinamika reaktor yang diperlukan berupa
Na2S2O3.5H2O 0,1 N, KI 0,1 N, Na2SO3, larutan amilum, zat pewarna, dan aquadest.
Kemudian diperlukan juga peralatan yaitu buret, statif, klem, gelas arloji, beaker
glass, rotameter, erlenmeyer, inverted manometer, gelas ukur, sparger, pipet tetes,
tangki cairan, kompresor, reaktor, sendok reagen, dan piknometer. Proses percobaan
dilakukan dalam 3 tahap yaitu tahap penentuan hold-up pada riser dan downcomer,
kemudian penentuan konstanta perpindahan massa gascair, dan penentuan
kecepatan sirkulasi proses. Tahap penentuan hold-up dilakukan dengan cara melihat
perbedaan tinggi pada inverted manometer. Selain itu, penentuan konstanta
perpindahan massa gas-cair dilakukan dengan menitrasi sampel dari reaktor dengan
menggunakan Na2S2O3.5H2O 0,1 N hingga berwarna putih keruh. Terakhir,
penentuan kecepatan sirkulasi proses dilakukan dengan bantuan indikator warna.
Penentuan ini dilakukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan indikator tersebut
untuk mencapai lintasan yang telah ditentukan.
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, diperoleh bahwa semakin
meningkatnya konsentrasi Na2SO3 menyebabkan nilai hold-up gas akan menurun.
Semakin meningkatnya konsentrasi Na2SO3 menyebabkan nilai laju sirkulasi
downcomer dan riser juga akan menurun. Hal tersebut dimana nilai laju sirkulasi
downcomer lebih tinggi dibandingkan nilai laju sirkulasi riser. Semakin besar
konsentrasi Na2SO3 maka nila KLa juga semakin tinggi. Saran yang kami berikan
untuk praktikum hidrodinamika reaktor adalah menggunakan variabel lain seperti
laju alir dalam mengetahui pengaruh terhadap hold-up gas ataupun koefisien
transfer massa (KLa). Untuk praktikum selanjutnya, mengukur pengaruh viskositas
terhadap besar hold-up gas yang akan diperoleh. Jarak dua titik dalam menentukan
laju sirkulasi sebaiknya dibuat jangan terlalu pendek agar memudahkan perhitungan
waktu.
iii
PRAKATA
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat
dan hidayah-Nya sehingga laporan praktikum Hidrodinamika Reaktor ini dapat
diselesaikan dengan lancar dan sesuai harapan.
Adapun isi laporan ini adalah pembahasan terkait materi dari praktikum
Hidrodinamika Reaktor. Berbagai dukungan dan doa dari beberapa pihak sehingga
penyusun dapat menyelesaikan laporan ini. Untuk itu, penyusun mengucapkan terima
kasih kepada :
1. Prof. Dr. Ing. Suherman, S.T., M.T., Ph.D. selaku Ketua Departemen Teknik
Kimia Universitas Diponegoro.
2. Prof. Dr. T. Aji Prasetyaningrum, S.T., M.Si. selaku Penanggung Jawab
Laboratorium Proses Kimia.
3. Prof. Dr. Ir. Luqman Buchori, S.T., M.T., IPM. selaku Dosen Pengampu materi
Hidrodinamika Reaktor.
4. Ibu Nurfiningsih selaku Laboran Laboratorium Proses Kimia.
5. Ammara Aqiila selaku koordinator asisten Laboratorium Proses Kimia.
6. Narindra Putri Cendekia dan Anugraheni Karisma Purnomo Putri selaku asisten
pengampu materi Hidrodinamika Reaktor.
7. Asisten-asisten Laboratorium Proses Kimia.
8. Teman-teman yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung.
Kami menyadari laporan yang kami susun masih memiliki kekurangan, baik
yang mendasar ataupun kesalahan yang yang berarti. Oleh karena itu, kritik dari
pembaca sangat diharapkan untuk penyempurnaan laporan ini. Semoga laporan ini
dapat bermanfaat dan berguna sebagai bahan penambah ilmu pengetahuan.
Semarang, September 2022
Penyusun
iv
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .................................................................................................... i
HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................................... ii
RINGKASAN ............................................................................................................. iii
PRAKATA .................................................................................................................. iv
DAFTAR ISI ................................................................................................................ v
DAFTAR TABEL ..................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ viii
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................................. ix
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1
1.1
Latar Belakang ........................................................................................... 1
1.2
Perumusan Masalah.................................................................................... 1
1.3
Tujuan Percobaan ....................................................................................... 2
1.4
Manfaat Percobaan ..................................................................................... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA................................................................................. 3
2.1
Reaktor Kolom Gelembung dan Air Lift .................................................... 3
2.2
Hidrodinamika Reaktor .............................................................................. 4
2.3
Perpindahan Massa ..................................................................................... 6
2.4
Kegunaan Hidrodinamika Reaktor dalam Industri..................................... 8
BAB III METODE PENELITIAN .......................................................................... 10
3.1
Rancangan Percobaan .............................................................................. 10
3.1.1 Rancangan Praktikum .................................................................... 10
3.1.2 Penetapan Variabel ......................................................................... 11
3.2
Bahan dan Alat yang Digunakan .............................................................. 11
3.2.1 Bahan .............................................................................................. 11
3.2.2 Alat ................................................................................................. 11
3.3
Gambar Rangkaian Alat ........................................................................... 11
3.4
Prosedur Praktikum .................................................................................. 12
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 14
4.1
Pengaruh Konsentrasi Na2SO3 terhadap Hold-up Gas ............................. 14
4.2
Pengaruh Konsentrasi Na2SO3 terhadap Laju Sirkulasi ........................... 15
4.3
Pengaruh Konsentrasi Na2SO3 terhadap Nilai KLa ................................... 16
4.4
Pengaruh Waktu Tinggal Na2SO3 terhadap Nilai KLa .............................. 18
BAB V PENUTUP ..................................................................................................... 21
5.1
Kesimpulan............................................................................................... 21
5.2
Saran ......................................................................................................... 21
v
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 22
LAMPIRAN
vi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data hold-up gas dalam berbagai variasi konsentrasi Na2SO3 ................... 14
Tabel 4.2 Data laju sirkulasi dalam berbagai variasi konsentrasi Na2SO3.................. 15
Tabel 4.3 Data nilai KLa terhadap konsentrasi Na2SO3 ............................................... 17
Tabel 4.4 Data hubungan waktu tinggal Na2SO3 terhadap nilai KLa .......................... 18
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tipe reaktor air-lift .................................................................................... 3
Gambar 3.1 Skema rancangan praktikum ................................................................... 10
Gambar 3.2 Rangkaian alat hidrodinamika reaktor .................................................... 11
Gambar 4.1 Hubungan konsentrasi Na2SO3 dengan hold-up gas ............................... 14
Gambar 4.2 Hubungan konsentrasi Na2SO3 dengan laju sirkulasi ............................. 15
Gambar 4.3 Hubungan antara konsentrasi Na2SO3 dengan nilai KLa ......................... 17
Gambar 4.4 Hubungan antara waktu tinggal Na2SO3 terhadap nilai KLa ................... 19
viii
DAFTAR LAMPIRAN
LAPORAN SEMENTARA ...................................................................................... A-1
LEMBAR PERHITUNGAN REAGEN ................................................................... B-1
LEMBAR PERHITUNGAN ..................................................................................... C-1
REFERENSI ............................................................................................................. D-1
LEMBAR TAMBAHAN .......................................................................................... E-1
LEMBAR ASISTENSI ............................................................................................. F-1
ix
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Reaktor merupakan alat utama pada industri yang digunakan untuk proses
kimia yaitu untuk mengubah bahan baku menjadi produk. Reaktor dapat
diklasifikasikan atas dasar cara operasi, geometrinya, dan fase reaksinya.
Berdasarkan cara operasinya dikenal reaktor batch, semi batch, dan kontinyu.
Jika ditinjau dari geometrinya dibedakan menjadi reaktor tangki berpengaduk,
reaktor kolom, dan reaktor fluidisasi. Sedangkan bila ditinjau berdasarkan fase
reaksi yang terjadi di dalamnya, reaktor diklasifikasikan menjadi reaktor
homogen dan reaktor heterogen.
Reaktor heterogen adalah reaktor yang digunakan untuk mereaksikan
komponen yang terdiri dari minimal 2 fase, seperti fase gas-cair. Reaktor yang
digunakan untuk kontak fase gas-cair, diantaranya dikenal reaktor kolom
gelembung (bubble column reactor) dan reaktor air-lift. Reaktor jenis ini
banyak digunakan pada proses industri kimia dengan reaksi yang sangat lambat,
proses produksi yang menggunakan mikroba (bioreaktor) dan juga pada unit
pengolahan limbah secara biologis menggunakan lumpur aktif.
Pada perancangan reaktor pengetahuan kinetika reaksi harus dipelajari
secara komprehensif dengan peristiwa-peristiwa perpindahan massa, panas, dan
momentum untuk mengoptimalkan kinerja reaktor. Fenomena hidrodinamika
yang meliputi hold-up gas dan cairan, laju sirkulasi merupakan faktor yang
penting yang berkaitan dengan laju perpindahan massa. Pada percobaan ini
akan mempelajari hidrodinamika pada reaktor air-lift, terutama berkaitan
dengan pengaruh laju alir udara, viskositas, dan densitas terhadap hold-up, laju
sirkulasi dan koefisien perpindahan massa gas-cair pada sistem sequantial
batch.
1.2
Perumusan Masalah
Reaktor merupakan alat utama pada industri yang digunakan pada
proses kimia dalam mengubah bahan baku menjadi produk. Hidrodinamika
reaktor mempelajari kelakuan dinamik cairan dalam reaktor sebagai akibat dari
laju alir gas masuk reaktor dan karakteristik cairannya. Pada percobaan ini akan
dikaji mengenai :
1. Pengaruh laju alir gas, konsentrasi Na2SO3, atau tinggi cairan dalam reaktor
terhadap hold-up gas (ε).
1
2. Pengaruh laju alir gas, konsentrasi Na2SO3, atau tinggi cairan dalam reaktor
terhadap laju sirkulasi (VL).
3. Pengaruh laju alir gas, konsentrasi Na2SO3, atau tinggi cairan dalam reaktor
terhadap koefisien transfer massa gas-cair (KLa).
4. Pengaruh waktu tinggal Na2SO3 terhadap koefisien transfer massa gas-cair
(KLa).
1.3
Tujuan Percobaan
Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa diharapkan dapat :
1. Menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap hold-up gas (ε).
2. Menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap laju sirkulasi (VL).
3. Menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap koefisien transfer
massa gas-cair (KLa).
4. Menentukan pengaruh waktu tinggal Na2SO3 terhadap KLa.
1.4
Manfaat Percobaan
1. Mahasiswa dapat menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap holdup gas (ε).
2. Mahasiswa dapat menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap laju
sirkulasi (VL).
3. Mahasiswa dapat menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap
koefisien transfer massa gas-cair (KLa).
4. Mahasiswa dapat menentukan pengaruh waktu tinggal Na2SO3 terhadap
KLa.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Reaktor Kolom Gelembung dan Air Lift
Reaktor adalah suatu alat tempat terjadinya suatu reaksi kimia untuk
mengubah suatu bahan menjadi bahan lain yang mempunyai nilai ekonomis
lebih tinggi. Reaktor air-lift adalah reaktor yang berbentuk kolom dengan
sirkulasi aliran. Kolom berisi cairan atau slurry yang terbagi menjadi 2 bagian
yaitu riser dan downcomer. Riser adalah bagian kolom yang selalu
disemprotkan gas dan mempunyai aliran ke atas. Sedangkan, downcomer
adalah daerah yang tidak disemprotkan gas dan mempunyai aliran ke bawah.
Pada zona downcomer atau riser memungkinkan terdapat plate penyaringan
pada dinding, terdapat satu atau dua buah baffle. Jadi banyak sekali
kemungkinan bentuk reaktor dengan keuntungan penggunaan dan tujuan yang
berbeda-beda (Widayat, 2004).
Secara umum reaktor air-lift dikelompokkan menjadi 2, yaitu reaktor
air-lift dengan internal loop dan eksternal loop (Christi, 1989; William, 2002).
Reaktor air-lift dengan internal loop merupakan kolom bergelembung yang
dibagi menjadi 2 bagian, riser dan downcomer dengan internal baffle dimana
bagian atas dan bawah riser 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 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 (Christi, 1989; William, 2002).
Secara teoritis, reaktor air-lift digunakan untuk beberapa proses kontak
gas cairan atau slurry. Reaktor ini sering digunakan untuk beberapa fermentasi
aerob, pengolahan limbah, dan operasi-operasi sejenis.
Gambar 2.1 Tipe reaktor air-lift
3
Keuntungan penggunaan reaktor air-lift dibanding reaktor konvensional
lainnya, diantaranya :
1. Perancangannya sederhana, tanpa ada bagian yang bergerak.
2. Aliran dan pengadukan mudah dikendalikan.
3. Waktu tinggal dalam reaktor seragam.
4. Kontak area lebih luas dengan input yang rendah.
5. Meningkatkan perpindahan massa.
6. Memungkinkan tangki yang besar sehingga meningkatkan produk.
Kelemahan reaktor air-lift antara lain:
1. Biaya investasi awal mahal terutama skala besar.
2. Membutuhkan tekanan tinggi untuk skala proses yang besar.
3. Efisiensi kompresi gas rendah.
4. Pemisahan gas dan cairan tidak efisien karena timbul busa (foaming).
Dalam aplikasi reaktor air-lift terdapat 2 hal yang mendasari mekanisme
kerja dari reaktor tersebut, yaitu hidrodinamika dan transfer gas-cair.
2.2
Hidrodinamika Reaktor
Di dalam perancangan bioreaktor, faktor yang sangat berpengaruh
adalah hidrodinamika reaktor, transfer massa gas-cair, rheologi proses, dan
morfologi produktifitas organisme. Hidrodinamika reaktor mempelajari
perubahan dinamika cairan dalam reaktor sebagai akibat laju alir yang masuk
reaktor dan karakterisik cairannya. Hidrodinamika reaktor meliputi hold-up gas
(fraksi gas saat penghamburan) dan laju sirkulasi cairan. Kecepatan sirkulasi
cairan dikontrol oleh hold-up gas, sedangkan hold-up gas dipengaruhi oleh
kecepatan kenaikan gelembung. Sirkulasi juga mempengaruhi turbulensi,
koefisien perpindahan massa dan panas serta tenaga yang dihasilkan.
Hold-up gas atau fraksi kekosongan gas adalah fraksi volume fase gas pada
disperse gas-cair atau slurry. Hold-up gas keseluruhan (ε).
ε=V
Vε
L −Vε
dimana :
ε
= hold-up gas
Vε
= volume gas (cc/s)
VL
= volume cairan (cc/s)
(1)
Hold-up gas digunakan untuk menentukan waktu tinggal gas dalam
cairan. Hold-up gas dan ukuran gelembung mempengaruhi luas permukaan gas
cair yang diperlukan untuk perpindahan massa. Hold-up gas tergantung pada
kecepatan kenaikan gelembung, luas gelembung dan pola aliran. Inverted
4
manometer adalah manometer yang digunakan untuk mengetahui beda tinggi
cairan akibat aliran gas, yang selanjutnya dipakai pada perhitungan hold-up gas
(ε) pada riser dan downcomer. Besarnya hold-up gas pada riser dan downcomer
dapat dihitung dengan persamaan :
ε=ρ
ρL
L −ρε
εr = ρ
ρL
L −ρg
εd = ρ
dimana :
×
ρL
L −ρg
∆h
(2)
z
×
∆hr
×
z
∆hd
z
𝜀
= hold-up gas
𝜀𝑟
= hold-up gas riser
𝜀𝑑
= hold-up gas downcomer
𝜌𝐿
= densitas cairan (gr/cc)
𝜌𝑔
= densitas gas (gr/cc)
∆ℎ𝑟
= perbedaan tinggi manometer riser (cm)
∆ℎ𝑑
= perbedaan tinggi manometer downcomer (cm)
z
= perbdaan antara taps tekanan
(3)
(4)
Hold-up gas total dalam reaktor dapat dihitung dari keadaan tinggi
dispersi pada saat aliran gas masuk reaktor sudah mencapai keadaan tunak
(steady state). Persamaan untuk menghitung hold-up gas total adalah sebagai
berikut :
ε=
dimana :
h0 −hi
h0
𝜀
= hold-up gas
ℎ0
= tinggi campuran gas setelah kondisi lunak (cm)
ℎ𝑖
= tinggi cairan mula-mula dalam reaktor (cm)
(5)
Hubungan antara hold-up gas riser (εr ) dan downcomer (εd ) dapat
dinyatakan dengan persamaan 6 :
ε=
dimana :
Ar .εr +Ad .εd
Ar +Ad
Ar
= luas bidang zona riser (cm2)
Ad
= luas bidang zona downcomer (cm2)
(6)
Sirkulasi cairan dalam reaktor air-lift disebabkan oleh perbedaan holdup gas riser dan downcomer. Sirkulasi fluida ini dapat dilihat dari perubahan
fluida, yaitu naiknya aliran fluida pada riser dan menurunnya aliran pada
downcomer. Besarnya laju sirkulasi cairan pada downcomer (ULd) ditunjukkan
oleh persamaan 7 dan laju sirkulasi cairan pada riser ditunjukan oleh persamaan
8:
5
Uld =
dimana :
LC
tC
Uld
= laju sirkulasi cairan pada downcomer (cm/s)
LC
= panjang lintasan dalam reaktor (cm)
tC
= waktu (s)
(7)
Dikarenakan tinggi dan volumetric aliran liquid pada riser dan
downcomer sama, maka hubungan antara laju aliran cairan pada riser dan
downcomer yaitu:
Ulr . Ar = Uld . Ad
dimana :
Ulr
= laju sirkulasi cairan riser (cm/s)
Uld
= laju sirkulasi cairan downcomer (cm/s)
Ar
= luas bidang zona riser (cm2)
Ad
= luas bidang zona downcomer (cm/s)
(8)
Waktu tingggal tld dan tlr dari sirkulasi liquid pada downcomer dan riser
tergantung pada hold-up gas seperti ditunjukkan pada persamaan berikut :
tlr
tld
dimana :
2.3
=
Ad 1−εr
Ar 1−εd
tlr
= waktu tinggal sirkulasi liquid pada riser (s)
tld
= waktu tinggal sirkulasi liquid pada downcomer (s)
Ar
= luas bidang zona riser (cm2)
Ad
= luas bidang zona downcomer (cm/s)
𝜀𝑟
= hold-up gas riser
𝜀𝑑
= hold-up gas downcomer
(9)
Perpindahan Massa
Perpindahan massa antar fase gas-cair terjadi karena adanya beda
konsentrasi antara kedua fase. Perpindahan massa yang terjadi yaitu oksigen
dari fase gas ke fase cair. Kecepatan perpindahan massa ini dapat ditentukan
dengan koefisien perpindahan massa.
Koefisien perpindahan massa 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 :
1. Koefisien transfer massa KLa, dimana tergantung pada sifat fisik dari cairan
dan dinamika fluida yang dekat dengan permukaan cairan.
2. Luas dari gelembung per unit volum dari reaktor.
3. Ketergantungan KLa pada energi masuk adalah kecil, dimana luas kontak
adalah fungsi dari sifat fisik design geometri dan hidrodinamika.
6
Luas kontak adalah parameter gelembung yang tidak bisa ditetapkan. Di
sisi lain, koefisien transfer massa pada kenyataannya merupakan faktor yang
proposional antara fluks massa dan substrat (atau bahan kimia yang ditransfer),
Ns, dan gradien yang mempengaruhi fenomena beda konsentrasi. Hal ini dapat
dirumuskan dengan persamaan 10 :
N = K La (C1 − C2 )
dimana :
N
= fluks massa
KLa
= koefisien transfer massa gas-cair (l/detik)
C1
= konsentrasi O2 masuk (gr/L)
C2
= konsentrasi O2 keluar (gr/L)
(10)
Untuk perpindahan massa oksigen ke dalam cairan dapat dirumuskan
sebagai kinetika proses, seperti di dalam persamaan 11 :
dC
dt
dimana :
C
= K La (C1 − C2 )
(11)
= konsentrasi udara (gr/L)
Koefisien perpindahan gas-cair merupakan fungsi dari laju alir udara
atau kecepatan superfitial gas, viskositas, dan luas area riser, dan
downcomer/geometric alat.
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.
7
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.
5. Metode Sulfit
Metode ini berdasarkan pada reaksi reduksi natrium sulfit. Mekanisme
reaksi yang terjadi :
Reaksi dalam reaktor :
Na2SO3 + 0,5O2 → Na2SO4 + Na2SO3
Reaksi saat analisa :
Na2SO3 (sisa) + KI + KIO3 → Na2SO4 +2KIO2 + I2 (sisa)
I2 (sisa) +2Na2S2O3 → Na2S4O6 + 2NaI
Mol Na2SO3 mula-mula (a)
=
N Na2 SO3
eq
× V reaktor
(12)
Mol I2 excess (b)
=
N KI
eq
× V KI
(13)
Mol Na2SO3 sisa (c)
1 N Na2 S2 O3 .5H2 O
= b − 2(
eq
× V Na2 S2 O3 . 5H2 O)
(14)
Mol O2 yang bereaksi (d)
1
= 2 × (a − c)
(15)
O2 yang masuk reaktor (e)
=
d×BM O2
t×60
(16)
Koefisien transfer massa gas-cair (KLa)
e
K La = 0,008
2.4
(17)
Kegunaan Hidrodinamika Reaktor dalam Industri
Berikut ini beberapa proses yang dasar dalam perancangan dan
operasinya menggunakan prinsip hidrodinamika reaktor :
1. Bubble Column Reaktor
Contoh aplikasi bubble column reaktor antara lain :
a. Absorpsi polutan dengan zat tertentu (misal CO2 dengan KOH)
b. Untuk bioreaktor
8
2. Air-lift Reaktor
Contoh aplikasi air-lift reaktor antara lain :
a. Proses produksi laktase (enzim lignin analitik yang dapat mendegradasi
lignin) dengan mikroba
b. Proses produksi glukan (polisakarida yang tersusun dari monomer
glukosa dengan ikatan 1,3 yang digunakan sebagai bahan baku obat
kanker dan tumor) menggunakan mikroba
c. Water treatment pada pengolahan air minum
d. Pengolahan limbah biologis
9
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1
Rancangan Percobaan
3.1.1
Rancangan Praktikum
Menentukan hold-up pada
Mengisi reaktor sampai
riser dan downcomer
ketinggian 94 cm
Melarutkan Na2SO3 dalam reaktor
Melihat ketinggian inverted manometer
Menghidupkan kompresor dan mengatur
laju alir gas (6 L/s)
Melihat ketinggian inverted manometer
setelah kompresor dihidupkan
Mengambil sampel untuk titrasi
dan menghitung densitas
Menghitung besar hold-up gas
Menentukan konstanta
Mengambil 10 ml sampel,
perpindahan massa gas-cair
menambahkan 5 ml KI
Sampel dititrasi dengan Na2S2O3.5H2O hingga terjadi perubahan warna
menjadi kuning kemudian putih keruh (setelah diteteskan amilum)
Titrasi dilakukan setiap 5 menit hingga
didapatkan volume titran konstan
Menentukan kecepatan
sirkulasi
Memasukkan zat warna pada downcomer
Menghitung waktu yang dibutuhkan cairan untuk mencapai lintasan
yang digunakan dan menghitung besarnya kecepatan sirkulasi
Gambar 3.1 Skema rancangan praktikum
10
3.1.2
Penetapan Variabel
1. Variabel Tetap
:
•
Laju alir
•
Tinggi cairan : 94 cm
: 6 L/s
2. Variabel berubah :
3.2
•
Variabel 1
: Konsentrasi Na2SO3 0,03 N
•
Variabel 2
: Konsentrasi Na2SO3 0,032 N
•
Variabel 3
: Konsentrasi Na2SO3 0,036 N
Bahan dan Alat yang Digunakan
3.2.1
Bahan
1. Na2S2O3.5H2O 0,1 N; 250 ml
2. KI 0,1 N; 5 ml
3. Na2SO3 0,03 N; 0,032 N; 0,036 N
4. Larutan Amilum
5. Zat warna
6. Aquadest
3.2.2
3.3
Alat
1. Buret, statif, klem
8.
Sparger
2. Gelas arloji
9.
Pipet tetes
3. Beaker glass
10. Tangki cairan
4. Rotameter
11. Kompresor
5. Erlenmeyer
12. Reaktor
6. Inverted manometer
13. Sendok reagen
7. Gelas ukur
14. Piknometer
Gambar Rangkaian Alat
Gambar 3.2 Rangkaian alat hidrodinamika reaktor
11
Keterangan :
A. Kompresor
B. Sparger
C. Rotameter daerah riser
D. Pompa
E. Tangki penampung cairan
F. Reaktor
G. Inverted manometer
H. Inverted manometer
3.4
Prosedur Praktikum
1. Menentukan hold-up pada riser dan downcomer
a. Mengisi reaktor dengan air dan menghidupkan pompa, setelah reaktor
terisi air 94 cm maka pompa dimatikan.
b. Menambahkan Na2SO3 0,03 N ke dalam reaktor, ditunggu 5 menit
agar larutan Na2SO3 larut dalam air.
c. Melihat ketinggian inverted manometer.
d. Hidupkan
kompresor
kemudian
melihat
ketinggian
inverted
manometer setelah kompresor dihidupkan.
e. Ambil sampel untuk titrasi dan menghitung densitasnya.
f. Menghitung besarnya hold-up gas.
g. Mengulangi langkah-langkah tersebut untuk variabel konsentrasi
Na2SO3 0,032 N dan 0,036 N.
2. Menentukan konstanta perpindahan massa gas-cair
a. Mengambil sampel sebanyak 10 ml dari variabel pertama, yaitu pada
saat konsentrasi cairan Na2SO3 0,03 N.
b. Menambahkan KI sebanyak 5 ml ke dalam sampel.
c. Menitrasi dengan Na2S2O3.5H2O 0,1 N sampai terjadi perubahan warna
dari coklat tua menjadi kuning jernih.
d. Menambahkan 3 tetes amilum.
e. Menitrasi sampel kembali dengan larutan Na2S2O3.5H2O 0,1 N.
f. TAT didapat setelah warna putih keruh.
g. Mencatat kebutuhan titran.
h. Ulangi sampai volume titran tiap 5 menit konstan.
i. Mengulangi langkah-langkah tersebut untuk variabel konsentrasi
Na2SO3 0,032 N dan 0,036 N.
12
3. Menentukan kecepatan sirkulasi
a. Merangkai alat yang digunakan.
b. Mengisi reaktor dengan air dan Na2SO3 0,03 N.
c. Menghidupkan kompresor.
d. Memasukkan zat warna pada reaktor downcomer.
e. Mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cairan dengan indikator zat
warna tertentu untuk mencapai lintasan yang telah digunakan.
f. Menghitung besarnya kecepatan sirkulasi.
g. Mengulangi langkah-langkah tersebut untuk variabel konsentrasi
Na2SO3 0,032 N dan 0,036 N.
13
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Konsentrasi Na2SO3 terhadap Hold-up Gas
Berdasarkan hasil praktikum hidrodinamika reaktor didapatkan data
pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap hold-up gas pada reaktor air-lift internal
loop sebagai berikut.
Tabel 4.1 Data hold-up gas dalam berbagai variasi konsentrasi Na2SO3
Variabel
Konsentrasi
ρ larutan
ke-
Na2SO3
(gr/ml)
1
0,03
2
3
Hold-Up Gas
4.1
ε riser
ε downcomer
ε campuran
1,011
0,0143
0,0083
0,0119
0,032
1,011
0,0143
0,00954
0,0124
0,036
1,011
0,0131
0,00954
0,0117
0,016
0,014
0,012
0,01
ε riser
0,008
ε downcomer
0,006
0,004
ε campuran
0,002
0
0,028 0,03 0,032 0,034 0,036 0,038
Konsentrasi Na2SO3 (N)
Gambar 4.1 Hubungan konsentrasi Na2SO3 dengan hold-up gas
Berdasarkan tabel 4.1 dan grafik 4.1 di atas, didapatkan hubungan antara
kosentrasi Na2SO3 dengan hold-up gas. Pada variabel 1 dengan konsentrasi
Na2SO3 0,03 N didapatkan ε riser, ε downcomer, dan ε campuran berturut-turut
sebesar 0,0143; 0,0143; dan 0,0131. Pada variabel 2 dengan konsentrasi
Na2SO3 0,032 N didapatkan ε riser, ε downcomer, dan ε campuran berturutturut sebesar 0,0083; 0,00954; dan 0,00954. Pada variabel 3 dengan konsentrasi
Na2SO3 0,036 N didapatkan ε riser, ε downcomer, dan ε campuran berturutturut sebesar 0,0119; 0,0124; dan 0,0117. Dari gambar 4.1 terlihat bahwa holdup gas downcomer (εd ), hold-up riser (εr ), dan hold-up gas total (εtotal )
semakin menurun seiring dengan bertambahnya konsentrasi Na2SO3. Selain itu,
didapatkan juga nilai εr lebih besar dari εtotal dan εd (εr > εtotal > εd ).
14
Kecepatan sirkulasi cairan dikontrol oleh hold-up gas, sedangkan hold-up
gas dipengaruhi oleh kecepatan kenaikan gelembung. Penurunan nilai hold-up
gas yang disebabkan oleh kenaikan viskositas karena semakin viscous suatu zat
cair akan mengakibatkan zat tersebut sulit ditembus oleh udara, karena
mengakibatkan zat tersebut sulit ditembus oleh udara. Maka daya yang akan
diperlukan untuk menembus cairan semakin besar sebagai akibat dari semakin
kuatnya gaya gesek antara lapisan gas dan cairannya. Jadi daya yang ada pada
gas juga harus digunakan untuk melawan gaya gesek antara lapisan gas dan
cairannya. Hal ini menyebabkan fraksi udara dalam cairan berkurang dengan
demikian hold-up gas menurun (Haryani & Widayat, 2011).
Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan
bahwa data yang diperoleh telah sesuai dengan teori yang ada, bahwa
peningkatan konsentrasi Na2SO3 menyebabkan nilai hold-up gas menurun.
Pengaruh Konsentrasi Na2SO3 terhadap Laju Sirkulasi
Berdasarkan hasil praktikum hidrodinamika reaktor didapatkan data
pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap laju alir pada reaktor air-lift internal
loop sebagai berikut.
Tabel 4.2 Data laju sirkulasi dalam berbagai variasi konsentrasi Na2SO3
Variabel ke-
Konsentrasi
Na2SO3
Lc (cm)
ULd (cm/s)
ULr (cm/s)
1
0,03
20
20
13,33
2
0,032
20
18,182
12,121
3
0,036
20
15,385
10,257
25
Laju Sirkulasi (cm/s)
4.2
20
15
ULd
10
ULr
5
0
0,028
0,03 0,032 0,034 0,036
Konsentrasi Na2SO3 (N)
0,038
Gambar 4.2 Hubungan konsetrasi Na2SO3 dengan laju sirkulasi
15
Berdasarkan tabel 4.2 dan grafik 4.2 di atas, didapatkan hubungan antara
kosentrasi Na2SO3 dengan laju alir. Pada variabel 1 dengan konsentrasi Na2SO3
0,03 N didapatkan Uld dan Ulr berturut-turut sebesar 20 cm/s dan 13,33 cm/s.
Pada variabel 2 dengan konsentrasi Na2SO3 0,03 N didapatkan Uld dan Ulr
berturut-turut sebesar 18,182 cm/s dan 12,121 cm/s. Pada variabel 3 dengan
konsentrasi Na2SO3 0,03 N didapatkan Uld dan Ulr berturut-turut sebesar 15,385
cm/s dan 10,257 cm/s. Dimana ketika konsentrasi Na2SO3 meningkat, laju
sirkulasi untuk riser dan downcomer akan mengalami penurunan. Selain itu
nilai dari laju sirkulasi downcomer lebih tinggi jika dibandingkan dengan laju
sirkulasi riser.
Menurut penelitian yang dilakukan oleh Haryani & Widayat (2011),
menurunnya nilai sirkulasi pada peningkatan konsentrasi Na2SO3 dikarenakan
dengan naiknya viskositas akan menaikkan hambatan terhadap aliran fluida.
Gaya gesek antara lapisan gas dan cairan yang semakin besar menyebabkan
penurunan laju sirkulasi cairan. Nilai Uld lebih besar dibandingkan nilai Ulr
karena laju sirkulasi berbanding terbalik dengan luas area. Apabila nilai luas
area riser lebih besar maka sebagai pembagi akan menghasilkan nilai Ulr yang
lebih kecil jika dibandingkan dengan Uld. Hal ini sesuai dengan persamaan
berikut :
Ulr . Ar = Uld . Ad
(4.1)
Dimana:
Ulr = Laju sirkulasi cairan pada riser (cm/s)
Uld = Laju sirkulasi cairan pada downcomer (cm/s)
Ar = Luas bidang zona riser (cm2)
Ad = Luas bidang zona riser (cm2)
Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan
bahwa data yang diperoleh telah sesuai dengan teori yang ada, bahwa
peningkatan konsentrasi Na2SO3 menyebabkan nilai laju sirkulasi downcomer
dan riser juga akan menurun. Hal tersebut dimana nilai laju sirkulasi
downcomer lebih tinggi dibandingkan nilai laju sirkulasi riser.
4.3
Pengaruh Konsentrasi Na2SO3 terhadap Nilai KLa
Telah dilakukan praktikum untuk mengetahui pengaruh variabel berupa
konsentrasi Na2SO3 terhadap nilai koefisien transfer massa gas-cair. Dari hasil
praktikum, didapatkan data pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap nilai KLa
sebagai berikut.
16
Tabel 4.3 Data nilai KLa terhadap konsentrasi Na2SO3
Konsentrasi Na2SO3 (N)
KLa Rata-Rata (L/s)
0,03
695,471
0,032
741,844
0,036
834,735
KLa Rata-Rata (L/s)
850,000
800,000
750,000
700,000
650,000
600,000
0,028
0,03
0,032 0,034 0,036
Konsentrasi Na2SO3 (N)
0,038
Gambar 4.3 Hubungan antara konsentrasi Na2SO3 dengan nilai KLa
Dari percobaan yang telah dilakukan, terlihat adanya perubahan nilai KLa
seiring penambahan konsentrasi Na2SO3. Pada konsentrasi Na2SO3 0,03 N,
didapat nilai KLa sebesar 695,471. Pada konsentrasi Na2SO3 0,032 N, nilai KLa
mengalami kenaikan menjadi sebesar 741,844. Pada konsentrasi Na2SO3 0,036
N, nilai KLa juga mengalami kenaikan menjadi sebesar 834,735.
Dari grafik di atas terlihat bahwa nilai KLa berbanding lurus dengan
konsentrasi Na2SO3. Semakin tinggi konsentrasi Na2SO3 maka laju aliran udara
semakin rendah, sehingga banyak oksigen yang tertahan dan ada dalam
medium, sehingga perbedaan konsentrasi oksigen yang besar menyebabkan
proses pertukaran massa oksigen terjadi dengan cepat. Di sisi lain, jumlah
oksigen yang bereaksi dengan Na2SO3 cukup besar. Reaksi yang terjadi adalah
sebagai berikut:
Na2SO3 + 0,5 O2
→ Na2SO4 + Na2SO3 (sisa)
Na2SO3(sisa) + KI + KIO3 → Na2SO4 + 2KIO2 + I2 (sisa)
I2 (sisa) + 2 Na2S2O3
→ Na2S4O6 + 2NaI
Semakin besar konsentrasi Na2SO3 maka mol awal Na2SO3 juga semakin besar.
Sedangkan untuk mencari mol Na2SO3 sisa adalah melalui persamaan berikut:
Mol Na2 SO3 sisa = I2 ekses – 0,5 (mol Na2 SO3 awal)
(4.2)
Dari persamaan di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa semakin besar
jumlah mol awal Na2SO3, semakin kecil mol sisa Na2SO3. Banyaknya gas
17
oksigen yang masuk ke dalam reaktor dapat dihitung melalui banyaknya
oksigen yang bereaksi pada persamaan di atas dengan menggunakan
persamaan:
Mol O2 yang bereaksi = 0,5 (mol Na2 SO3 awal – mol Na2 SO3 sisa) (4.3)
Mol O2 yang masuk reaktor =
Mol O2 yang bereaksi
t×60
(4.4)
Dengan mol Na2SO3 sisa yang bernilai kecil maka mol oksigen yang
masuk dan bereaksi dalam reaktor semakin besar. Besaran KLa sangat
ditentukan oleh banyaknya gas O2 dalam reaktor seperti dalam persamaan di
bawah ini:
K La =
Mol O2 yang masuk reaktor
(4.5)
0,08
Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa semakin besar O2 yang ada di
dalam reaktor maka KLa juga semakin besar. Berdasarkan teori yang telah
dipaparkan diatas, hasil percobaan yang kami lakukan sudah sesuai dengan
teori yang ada. Semakin besar konsentrasi Na2SO3 maka nila KLa juga semakin
tinggi.
(Haryani & Widayat, 2011)
4.4
Pengaruh Waktu Tinggal Na2SO3 terhadap Nilai KLa
Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan, diperoleh hasil pengaruh
konsentrasi Na2SO3 terhadap Nilai KLa dengan menggunakan variabel
konsentrasi Na2SO3 yang berbeda, yaitu variabel 1 (konsentrasi Na2SO3 0,03
N), variabel 2 (konsentrasi Na2SO3 0,032 N), dan variabel 3 (konsentrasi
Na2SO3 0,036 N).
Tabel 4.4 Data hubungan waktu tinggal Na2SO3 terhadap nilai KLa
t (menit)
KLa (L/s)
Variabel 1 (0,03 N)
Variabel 2 (0,032 N)
Variabel 3 (0,036 N)
5
1877,583
2002,767
2253,550
10
938,783
1001,367
1126,775
15
625,856
667,594
751,194
20
469,396
500,700
563,392
25
375,520
400,563
450,710
30
312,933
333,803
375,592
35
268,229
286,117
321,936
18
2500
Variabel 1
(Konsentrasi
Na₂SO₃ 0,03 N)
Variabel 2
(Konsentrasi
Na₂SO₃ 0,032 N)
Variabel 3
(Konsentrasi
Na₂SO₃ 0,036 N)
KLa (L/s)
2000
1500
1000
500
0
0
5 10 15 20 25 30 35 40
Waktu (Menit)
Gambar 4.4 Hubungan antara waktu tinggal Na2SO3 terhadap nilai KLa
Berdasarkan Gambar 4.4 menunjukkan hubungan antara waktu tinggal
Na2SO3 dengan nilai KLa, yaitu nilai KLa menurun seiring dengan bertambahnya
waktu tinggal Na2SO3. Dapat dilihat dari ketiga variabel tersebut, nilai KLa
tertinggi terjadi pada menit ke-5 yang kemudian mengalami penurunan secara
signifikan hingga menit ke-10. Lalu, dari menit ke-10 hingga menit ke-35 tetap
mengalami penurunan nilai KLa tetapi tidak mengalami penurunan yang tajam
karena nilai KLa turun secara bertahap.
Perpindahan massa antar fase gas-cair terjadi karena adanya beda
konsentrasi antar kedua fase. Kecepatan perpindahan massa dapat ditentukan
dengan koefisien perpindahan massa. Bertambahnya viskositas larutan akan
menyebabkan penurunan koefisien perpindahan massa gas-cair. Penurunan nilai
koefisien perpindahan massa karena dengan bertambahnya viskositas larutan
maka larutan akan semakin jenuh sehingga laju perpindahan oksigen akan
semakin kecil (Haryani & Widayat, 2011). Selain itu, pada reaksi ini
menggunakan metode sulfit dimana harga KLa turun seiring dengan
bertambahnya waktu tinggal Na2SO3. Hal tersebut dapat dilihat pada
mekanisme reduksi natrium sulfit berikut.
Na2SO3 + 0,5 O2
→ Na2SO4 + Na2SO3 (sisa)
Na2SO3 (sisa) + KI + KIO3 → Na2SO4 + 2KIO2 + I2
I2 (sisa) + 2 Na2S2O3
→ Na2S4O6 + NaI
Reaksi reduksi natrium sulfit diatas, memperlihatkan bahwa semakin lama
waktu tinggal maka jumlah Na2SO3 yang bereaksi dengan O2 akan semakin
berkurang dikarenakan reaktan yang semakin jenuh oleh gas. Jenuh ditandai
dengan perpindahan massa gas-cair yang menurun. Maka, harga KLa akan
semakin kecil seiring bertambahnya waktu. Dengan waktu tinggal yang sama
dari grafik di atas menunjukkan harga KLa untuk masing-masing variabel
19
berbeda, nilai KLa pada konsentrasi Na2SO3 0,031 N > KLa pada konsentrasi
Na2SO3 0,027 N > KLa pada konsentrasi Na2SO3 0,025 N. Nilai KLa juga
dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan, dimana semakin tinggi konsentrasi maka
densitas larutan juga akan semakin tinggi sehingga perpindahan massa menjadi
lebih kecil (Widayat et al., 2011). Besar nilai KLa berbanding lurus dengan mol
O2 yang masuk reaktor, sedangkan waktu tinggal berbanding terbaik dengan
mol O2 yang bereaksi. Hal ini dapat dilihat pada persamaan berikut.
mol O2 yang masuk reaktor =
mol O2 yang bereaksi×BMO2
Koefisien transfer massa gas − cair (K La ) =
t×60
mol O2 yang masuk reaktor
0,008
(4.6)
(4.7)
Berdasarkan teori diatas, dapat dilihat bahwa hasil praktikum yang
diperoleh telah sesuai dengan teori yang ada dimana semakin lama waktu
tinggal Na2SO3 maka nilai KLa yang diperoleh akan semakin kecil. Hal tersebut
dikarenakan semakin lama waktu tinggal maka jumlah Na2SO3 yang bereaksi
dengan O2 akan semakin berkurang dikarenakan reaktan yang semakin jenuh
oleh gas.
20
BAB V
PENUTUP
5.1
Kesimpulan
1. Nilai hold-up gas akan semakin kecil seiring dengan meningkatnya
konsentrasi Na2SO3, karena semakin viscous suatu zat cair akan
mengakibatkan zat tersebut sulit ditembus oleh udara maka daya yang ada
pada gas juga harus digunakan untuk melawan gaya gesek antara lapisan gas
dan cairannya. Hal ini menyebabkan fraksi udara dalam cairan berkurang
dengan demikian hold-up gas menurun.
2. Nilai laju sirkulasi akan semakin menurun seiring bertambahnya konsentrasi
Na2SO3, karena gaya gesek antara lapisan gas dan cairan yang semakin besar
menyebabkan penurunan laju sirkulasi cairan.
3. Semakin banyak mol udara (O2) yang memasuki reaksi, maka semakin besar
pula nilai KLa yang diperoleh akibat O2 yang bereaksi setara dengan setengah
Na2SO3 yang bereaksi.
4. Semakin lama waktu tinggal Na2SO3 maka akan semakin kecil nilai
koefisien transfer massa (KLa) karena kondisi reaktan yang semakin jenuh
akibat semakin sedikit Na2SO3 yang bereaksi dengan O2.
5.2
Saran
1. Pembuatan amilum dilakukan sesuai prosedur dan disimpan pada tempat
yang gelap.
2. Laju alir gas harus selalu diperhatikan agar tidak berubah-ubah selama
proses berlangsung.
3. Jarak dua titik dalam menentukan laju sirkulasi sebaiknya dibuat jangan
terlalu pendek agar memudahkan perhitungan waktu.
21
DAFTAR PUSTAKA
Christi, M. Y. (1989). Air-lift Bioreactor. El Sevier Applied Science. London.
Christi, Y., Fu, W., & Young, M. M. (1994). Relationship Between Riser and
Downcomer Gas Hold-Up In Internal-Loop Airlift Reactors Without GasLiquid Separator. The Chemical Engineering Journal, 57(1995), B7-B13.
Haryani, K. & Widayat. (2011). Pengaruh Viskositas dan Laju Alir terhadap
Hidrodinamika dan Perpindahan Massa dalam Proses Produksi Asam Sitrat
dengan Bioreaktor Air-Lift dan Kapang Aspergillus Niger. Reaktor, 13(3),
194-200. Doi: 10.14710/reaktor.13.3.194-200.
Popovic, M. K., & Robinson, C. W. (1989). Mass Transfer Studies of External Loop
Airlift
and
a
Bubble
Column.
AICheJ,
35(3),
393-405.
https://doi.org/10.1002/aic.690350307.
Widayat. (2004). Pengaruh Laju Alir dan Viskositas Terhadap Perpindahan Massa
Gas-Cair Fluida Non Newtonian dalam Reaktor Air Lift Rectangular.
Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses, Semarang: 21-22
Juli 2004. ISSN : 1411-4216, I-9-1 s.d. I-9-4.
Widayat., Abdullah., Soetrisnanto, D., & Hadi, M. (2011). Perpindahan Massa GasCair dalam Proses Fermentasi Asam Sitrat dengan Bioreaktor Bergelembung.
Jurnal Momentum UNWAHAS, 7(2), 14–17. Doi: 10.36499/jim.v7i2.99.
William, J. A. (2002). Keys To Bioreactor Selections. Chemical Enineering Progress,
98, 34-41.
22
LAPORAN SEMENTARA
PRAKTIKUM PROSES KIMIA
Materi :
HIDRODINAMIKA REAKTOR
NAMA
: MIA AJUNDASARI
GROUP
: 3/KAMIS
REKAN KERJA : 1. MUHAMMAD ANAS ASY SYAQIQ
2. SHOFI AZKIYA GHASSANI
LABORATORIUM PROSES KIMIA
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
A-1
I.
TUJUAN PERCOBAAN
1. Menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap hold-up gas (ε).
2. Menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap laju sirkulasi (VL).
3. Menentukan pengaruh konsentrasi Na2SO3 terhadap koefisien transfer
massa gas-cair (KLa).
4.
II.
Menentukan pengaruh waktu tinggal Na2SO3 terhadap KLa.
PERCOBAAN
2.1 Bahan yang Digunakan
1. Na2S2O3.5H2O 0,1 N; 250 ml
2. KI 0,1 N; 5 ml
3. Na2SO3 0,03 N; 0,032 N; 0,036 N
4. Larutan amilum
5. Zat warna
6. Aquadest
2.2 Alat yang Digunakan
1. Buret, statif, klem
8. Sparger
2. Gelas arloji
9. Pipet tetes
3. Beaker glass
10. Tangki cairan
4. Rotameter
11. Kompresor
5. Erlenmeyer
12. Reaktor
6. Inverted manometer
13. Sendok reagen
7. Gelas ukur
14. Piknometer
2.3 Cara Kerja
1. Menentukan hold-up pada riser dan downcomer
a. Mengisi reaktor dengan air dan menghidupkan pompa,
setelah reaktor terisi air 94 cm maka pompa dimatikan.
b. Menambahkan Na2SO3 0,03 N ke dalam reaktor, ditunggu 5
menit agar larutan Na2SO3 larut dalam air.
c. Melihat ketinggian inverted manometer.
d. Hidupkan kompresor kemudian melihat ketinggian inverted
manometer setelah kompresor dihidupkan.
e. Ambil sampel untuk titrasi dan menghitung densitasnya.
f. Menghitung besarnya hold-up gas.
g. Mengulangi
langkah-langkah
tersebut
untuk
variabel
konsentrasi Na2SO3 0,032 N dan 0,036 N.
A-2
2. Menentukan konstanta perpindahan massa gas-cair
a. Mengambil sampel sebanyak 10 ml dari variabel pertama,
yaitu pada saat konsentrasi cairan Na2SO3 0,03 N.
b. Menambahkan KI sebanyak 5 ml ke dalam sampel.
c. Menitrasi dengan Na2S2O3.5H2O 0,1 N sampai terjadi
perubahan warna dari coklat tua menjadi kuning jernih.
d. Menambahkan 3 tetes amilum.
e. Menitrasi sampel kembali dengan larutan Na2S2O3.5H2O 0,1
N.
f. TAT didapat setelah warna putih keruh.
g. Mencatat kebutuhan titran.
h. Ulangi sampai volume titran tiap 5 menit konstan.
i. Mengulangi langkah-langkah tersebut untuk konsentrasi
Na2SO3 0,032 N dan 0,036 N.
3. Menentukan kecepatan sirkulasi
a.
Merangkai alat yang digunakan.
b.
Mengisi reaktor dengan air dan Na2SO3 0,03 N.
c.
Menghidupkan kompresor.
d.
Memasukkan zat warna pada reaktor downcomer.
e.
Mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cairan dengan
indikator zat warna tertentu untuk mencapai lintasan yang
telah digunakan.
f.
Menghitung besarnya kecepatan sirkulasi.
g.
Mengulangi
langkah-langkah
tersebut
untuk
variabel
konsentrasi Na2SO3 0,032 N dan 0,036 N.
2.4 Hasil Percobaan
Konsentrasi Na2SO3 (1)
= 0,03 N
Konsentrasi Na2SO3 (2) = 0,032 N
Konsentrasi Na2SO3 (3) = 0,036 N
Laju Alir
= 6 L/s
Tinggi cairan
= 94 cm
Ar
= 120 cm2
Ad
= 80 cm2
Tinggi Sparger
= 10 cm
KI 0,1 N
= 5 ml
ρaq
= 0,97 g/ml
ρgas
= 0,00141 g/ml
A-3
Lc
= 20 cm
Na2S2O3.5H2O 0,1 N
= 250 ml
Konsentrasi Na2SO3
Keterangan
0,03 N
0,032 N
0,036 N
hr (cm)
1,2
1,2
1,1
hd (cm)
0,7
0,8
0,8
ρL (g/ml)
1,011
1,011
1,011
tc (s)
1
1,1
1,3
Volume Titran (ml)
Waktu (s)
0,03 N
0,032 N
0,036 N
5
5,5
4,6
5,3
10
5,4
4,4
5,3
15
5,4
4,7
5,5
20
5,5
4,8
5,4
25
5,6
4,9
5,3
30
5,6
4,9
5,3
35
5,6
4,9
5,3
Semarang, 08 September 2022
Mengetahui,
Praktikan
Mia Ajundasari
21030120140193
Asisten
Muhammad Anas A.S. Narindra Putri Cendekia
21030120130155
21030119130116
Shofi Azkiya Ghassani
21030120140188
A-4
LEMBAR PERHITUNGAN REAGEN
1. Data praktikum
Luas area riser
: 120 cm2
Luas area downcomer
: 80 cm2
ρg
: 0,00141 gr/ml
BM Na2S2O3.5H2O
: 248 gr/mol
BM Na2SO3
: 126 gr/mol
Tinggi sparger
: 10 cm
Tinggi cairan dalam reaktor (h)
: 94 cm
N Na2SO3
: 0,03 N; 0,032 N; 0,036 N
N Na2S2O3.5H2O
: 0,1 N
Volume Na2S2O3.5H2O
: 250 ml
N KI
: 0,1 N
Volume reaktor
: (Luas riser + downcomer) × Tinggi cairan
dalam reaktor
: (Ar + Ad) × hi
: (120 + 80) cm2 × 94 cm = 18800 cm3
2. Kebutuhan reagen
•
•
Kebutuhan Na2SO3 0,03 N
V
: 18800 cm3 = 18800 ml
N
: BM × V(ml) × valensi
0,03
: 126 gr/mol × 18800 ml × 2
gr
: 35,532 gram
gr
1000
gr
1000
Kebutuhan Na2SO3 0,032 N
V
: 18800 cm3 = 18800 ml
N
: BM × V(ml) × valensi
gr
1000
gr
1000
0,032 : 126 gr/mol × 18800 ml × 2
gr
•
: 37,9008 gram
Kebutuhan Na2SO3 0,036 N
V
: 18800 cm3 = 18800 ml
N
: BM × V(ml) × valensi
gr
1000
gr
1000
0,036 : 126 gr/mol × 18800 ml × 2
B-1
gr
•
: 42,6384 gram
Kebutuhan Na2S2O3.5H2O
gr
1000
N
: BM × V(ml) × valensi
0,1
: 248 gr/mol × 250 ml × 2
gr
: 3,1 gram
gr
1000
B-2
LEMBAR PERHITUNGAN
A. Menghitung Hold-up Gas
1.
Variabel 1 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,03 N)
∆hr : 1,2 cm
∆hd : 0,7 cm
z
: Tinggi cairan – Tinggi sparger
: (94 – 10) cm
: 84 cm
εr = ρ
ρL
L −ρg
×
∆hr
z
1,011 g/ml
1,2 cm
εr = (1,011−0,00141)g/ml × 84 cm
εr = 0,0143
εd = ρ
ρL
L −ρg
×
∆hd
z
1,011 g/ml
0,7 cm
εd = (1,011−0,00141)g/ml × 84 cm
εd = 0,0083
ε=
ε=
Ar .εr +Ad .εd
Ar +Ad
120 cm2 .0,0143+80 cm2 .0,0083
(120+80) cm2
ε = 0,0119
2.
Variabel 2 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,032 N)
∆hr : 1,2 cm
∆hd : 0,8 cm
z
: Tinggi cairan – Tinggi sparger
: (94 – 10) cm
: 84 cm
εr = ρ
ρL
L −ρg
×
∆hr
z
1,011 g/ml
1,2 cm
εr = (1,011−0,00141)g/ml × 84 cm
εr = 0,0143
εd = ρ
ρL
L −ρg
×
∆hd
z
1,011 g/ml
0,8 cm
εd = (1,011−0,00141)g/ml × 84 cm
εd = 0,00954
ε=
Ar .εr +Ad .εd
Ar +Ad
C-1
ε=
120 cm2 .0,0143+80 cm2 .0,00954
(120+80) cm2
ε = 0,0124
3.
Variabel 3 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,036 N)
∆hr : 1,1 cm
∆hd : 0,8 cm
: Tinggi cairan – Tinggi sparger
z
: (94 – 10) cm
: 84 cm
εr = ρ
ρL
L −ρg
×
∆hr
z
1,011 g/ml
1,1 cm
εr = (1,011−0,00141)g/ml × 84 cm
εr = 0,0131
εd = ρ
ρL
L −ρg
×
∆hd
z
1,011 g/ml
0,8 cm
εd = (1,011−0,00141)g/ml × 84 cm
εd = 0,00954
ε=
ε=
Ar .εr +Ad .εd
Ar +Ad
120 cm2 .0,0131+80 cm2 .0,00954
(120+80) cm2
ε = 0,0117
Konsentrasi
ρL
Na2SO3
(gr/ml)
0,03
∆hr
∆hd
εr
εd
ε
1,011
1,2
0,7
0,0143
0,0083
0,0119
0,032
1,011
1,2
0,8
0,0143
0,00954
0,0124
0,036
1,011
1,1
0,8
0,0131
0,00954
0,0117
B. Menghitung Laju Sirkulasi
1.
Variabel 1 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,03 N)
ULd
:
:
Lc
tc
20 cm
1s
: 20 cm/s
ULr
:
:
ULd ×Ad
Ar
20 cm/s×80 cm2
120 cm2
: 13,333 cm/s
C-2
2.
Variabel 2 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,032 N)
ULd
:
:
Lc
tc
20 cm
1,1 s
: 18,182 cm/s
ULr
:
:
ULd ×Ad
Ar
18,182 cm/s×80 cm2
120 cm2
: 12,121 cm/s
3.
Variabel 3 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,036 N)
ULd
:
:
Lc
tc
20 cm
1,3 s
: 15,385 cm/s
ULr
:
:
ULd ×Ad
Ar
15,385 cm/s×80 cm2
120 cm2
: 10,257 cm/s
Konsentrasi
Lc (cm)
tc (s)
ULd (cm/s)
ULr (cm/s)
0,03
20
1
20
13,333
0,032
20
1,1
18,182
12,121
0,036
20
1,3
15,385
10,257
Na2SO3 (N)
C. Menghitung Koefisien Transfer Massa (KLa)
N Na2 SO3
Mol Na2SO3 awal (a)
: Vreaktor ×
Mol I2 excess (b)
: VKI ×
Mol Na2SO3 sisa (c)
: b − 2(
Mol O2 yang bereaksi (d)
: 2 × (a − c)
O2 yang masuk reaktor (e)
:
eq
NKI
eq
1 N Na2 S2 O3 .5H2 O
eq
× VNa2 S2O3.5H2O )
1
Koefisien transfer massa gas cair (KLa) :
d×BM O2
t×60
e
0,008
C-3
1.
Variabel 1 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,03 N)
Mol
Mol
Titran
Na2SO3
I2
Variabel
mula
excess
1
(a)
(b)
5
5,5
282
0,5
0,363
140,819
15,021
1877,583
10
5,4
282
0,5
0,365
140,818
7,510
938,783
15
5,4
282
0,5
0,365
140,818
5,007
625,856
20
5,5
282
0,5
0,363
140,819
3,755
469,396
25
5,6
282
0,5
0,360
140,820
3,004
375,520
30
5,6
282
0,5
0,360
140,820
2,503
312,933
35
5,6
282
0,5
0,360
140,820
2,146
268,229
Waktu
2.
Na2SO3
sisa (c)
yang
bereaksi
(d)
yang
masuk
KLa
reaktor
(e)
Variabel 2 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,032 N)
Mol
Mol
Titran
Na2SO3
I2
Variabel
mula
excess
1
(a)
(b)
5
4,6
300,8
0,5
0,385
150,208
16,022
2002,767
10
4,4
300,8
0,5
0,390
150,205
8,011
1001,367
15
4,7
300,8
0,5
0,383
150,209
5,341
667,594
20
4,8
300,8
0,5
0,380
150,210
4,006
500,700
25
4,9
300,8
0,5
0,378
150,211
3,205
400,563
30
4,9
300,8
0,5
0,378
150,211
2,670
333,803
35
4,9
300,8
0,5
0,378
150,211
2,289
286,117
Mol
Na2SO3
sisa (c)
Mol O2
Mol O2
Volume
Waktu
3.
Mol
Mol O2
Mol O2
Volume
yang
bereaksi
(d)
yang
masuk
KLa
reaktor
(e)
Variabel 3 (Konsentrasi Na2SO3 = 0,036 N)
Mol
Mol
Titran
Na2SO3
I2
Variabe
mula
excess
l2
(a)
(b)
5
5,3
338,4
0,5
0,368
169,016
18,028
2253,550
10
5,3
338,4
0,5
0,368
169,016
9,014
1126,775
Waktu
Mol
Na2SO3
sisa (c)
Mol O2
Mol O2
Volume
yang
bereaksi
(d)
yang
masuk
KLa
reaktor
(e)
C-4
15
4,7
300,8
0,5
0,363
169,019
6,010
751,194
20
4,8
300,8
0,5
0,365
169,018
4,507
563,392
25
4,9
300,8
0,5
0,368
169,016
3,606
450,710
30
4,9
300,8
0,5
0,368
169,016
3,005
375,592
35
4,9
300,8
0,5
0,368
169,016
2,575
321,936
C-5
REFERENSI
D-1
D-2
D-3
D-4
D-5
D-6
IDENTIFIKASI BAHAYA DAN ANALISA RESIKO
MATERI : HIDRODINAMIKA REAKTOR
IDENTIFIKASI BAHAYA (IB)
A
Mekanik
D
Lingkungan
A1
Penanganan manual
A2
E
G
Bahaya Lainnya
√
D1
Kebisingan
√
E1 Racun
√
G1
Gas Terkompresi
Bagian yang bergerak
√
D2
Getaran
√
E2 Iritan
√
G2
Radiasi Pengion
A3
Bagian yang berputar
√
D3
Penerangan
E3 Korosif
√
G3
Radiasi UV
A4
Pemotongan
D4
Kelembaban
E4 Karsinogenik
G4
Kelelahan
B
Biologi
D5
Temperatur
E5 Mudah Terbakar
G5
Ruang Sempit
B1
Bakteri
D6
Bahaya Perjalanan
E6 Mudah Meledak
G6
Penuh Sesak
B2
Virus
D7
Permukaan yang Licin
E7 Cryogenics
G7
Termometer
B3
Jamur
D8
Limbah Padat
F
C
Listrik
D9
Kualitas Udara
F1 Bejana Tekan
C1
Voltase Tinggi
D10 Pekerjaan Soliter
√
Bahan Kimia
√
Peralatan
F2 Peralatan Panas
Percikan/ Tetesan/
C2
Listrik Statis
√
D11 Banjir
C3
Kabel
√
D12 Tumpahan Serbuk
√
F3 Laser
F4 Pembuluh Kaca
E-1
DETAIL RESIKO
IB
Resiko (setelah tindakan
Identifikasi Resiko
pengendalian)
Tindakan Pengendalian Untuk
Tindakan Pertolongan Pertama
Meminimalisir Resiko
Tinggi Sedang Rendah Minimal
1. PREPARASI/TAHAP AWAL
-
Menghentikan sumber
tumpahan
-
√
-
Menjauh dari tumpahan reagen
-
Membersihkan tumpahan
Reagen tumpah saat sedang
reagen
menimbang
-
-
-
Reagen tumpah saat pemasukkan
Apabila terhirup, pergi ke
tempat dengan udara segar
titran ke dalam buret
Menggunakan alat pelindung diri
-
Reagen tumpah saat sedang
(APD) lengkap seperti jas lab, sarung
bilaslah dengan air yang
mengukur densitas dengan
tangan lateks, kacamata pelindung,
banyak
piknometer
masker dan menggunakan sepatu.
-
Terkena paparan reagen
Apabila terkena kulit dan mata,
Apabila tertelan, minum air
putih sebanyak 2 gelas
-
Melepaskan pakaian yang
terkontaminasi reagen
E-2
-
Air tumpah pada saat pengisian ke
-
hati – hati
ember penampungan sehingga
dapat menyebabkan terpeleset
√
Melakukan pengisian air dengan
-
Membuka keran secara perlahan
Air tumpah pada saat pengisian ke
agar air mengalir dengan
reaktor sehingga dapat
kecepatan rendah
-
Menjauh dari tumpahan air
-
Membersihkan tumpahan air
-
Apabila terluka, bersihkan dan
obati dengan P3K
menyebabkan terpeleset
-
√
-
Terjatuh pada saat pemasukkan
-
Menaiki kursi dengan hati – hati
reagen
-
Memastikan kursi yang akan
Terjatuh pada saat pengambilan
sampel
-
digunakan kokoh dan tidak rapuh
Apabila terluka, bersihkan dan
Meminta bantuan orang lain untuk
obati dengan P3K
memegangi kursi
-
√
Saat menyalakan pompa terdapat
-
Mematikan sumber arus listrik
-
Dorong tubuh korban dengan
benda isolator
Memastikan kabel dan colokan
resiko tersengat listrik atau pompa
sumber listrik tidak basah ataupun
terbakar
terkelupas
-
-
Memakai APD lengkap
-
Cari pertolongan medis jika
terdapat luka bakar
-
Gunakan APAR apabila terjadi
kebakaran pada pompa
2. PERCOBAAN UTAMA
E-3
-
Saat menyalakan kompresor
terdapat resiko tersengat
√
-
-
√
-
-
sumber listrik tidak basah ataupun
terbakar
terkelupas
Saat menyalakan kompor listrik
-
Memakai APD lengkap
terdapat resiko tersengat listrik
-
Menggunakan ear plug
Kebisingan akibat suara kompresor
Terjatuh pada saat pemasukkan zat
-
Menaiki kursi dengan hati – hati
warna
-
Memastikan kursi yang akan
sampel
-
Mematikan sumber arus listrik
-
Dorong tubuh korban dengan
benda isolator
Memastikan kabel dan colokan
listrik/korslet atau kompresor
Terjatuh pada saat pengambilan
-
-
Cari pertolongan medis jika
terdapat luka bakar
-
Gunakan APAR apabila terjadi
kebakaran pada pompa
-
Mematikan sumber kebisingan
-
Mengistirahatkan telinga
digunakan kokoh dan tidak rapuh
Apabila terluka, bersihkan dan
Meminta bantuan orang lain untuk
obati dengan P3K
memegangi kursi
3. ANALISA/TAHAP AKHIR
Menggunakan alat pelindung diri
√
-
-
Apabila terkena kulit dan mata,
(APD) lengkap seperti jas lab, sarung
bilaslah dengan air yang
Terkena tetesan titran saat
tangan lateks, kacamata pelindung,
banyak
melakukan titrasi
masker dan menggunakan sepatu.
-
Apabila tertelan, minum air
putih sebanyak 2 gelas
E-4
-
Melepaskan pakaian yang
terkontaminasi reagen
-
√
Terjadi tumpahan air pada saat
Melakukan pembukaan valve sesuai
-
Menjauh dari tumpahan air
proses drainase yang dapat
prosedur agar air yang keluar
-
Membersihkan tumpahan air
mengakibatkan terpeleset
maksimal dan langsung ke tempat
-
Apabila terluka, bersihkan dan
pembuangan
obati dengan P3K
E-5
LEMBAR ASISTENSI
DIPERIKSA
KETERANGAN
NO
TANGGAL
1.
19/09/2022
P0 Asisten
2.
20/09/2022
P1 Asisten
3.
23/09/2022
P2 Asisten
4.
24/09/2022
ACC Asisten
TANDA
TANGAN
F-1