Mekfluid Kelompok IV Packed Bed [PDF]

Citation preview

MAKALAH MEKANIKA FLUIDA PACKED BED



KELOMPOK IV : 1. ASMIAH HASIBUAN (150405007) 2. FENNY WIJAYA (150405015) 3. PUTRI HERFAYATI (150405027) 4. NURAINA RAMADHANI PURBA (150405031) 5. RIRI ADOLINA SIREGAR (150405034) 6. RAFIKA HUSNA (150405037)



DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016



KATA PENGANTAR Puji syukur penulis haturkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Makalah Mekanika Fluida dengan topik Packed Bed tepat pada waktunya. Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk menyelesaikan tugas makalah Mekanika Fluida agar mahasiswa memahami prinsip kerja packed bed, fungsi packed bed, jenis-jenis packed bed beserta kelebihan dan kekurangannya, serta aplikasi packed bed dalam industri. Pada kesempatan ini kami juga tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu kami dalam menyelesaikan penulisan makalah ini: 1.



Orang tua yang telah memberikan dukungan baik materil maupun spiritual.



2.



Dosen mata kuliah Mekanika Fluida, Farida Hanum, S.T., M.T.



3.



Teman-teman kelompok IV. Kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh



karena itu, kami mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi peningkatan mutu makalah ini di masa yang akan datang.



Medan, 12 November 2016



Penulis



i



DAFTAR ISI Kata Pengantar .................................................................................................... i Daftar Isi ............................................................................................................ ii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1 1.1. Latar Belakang .................................................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah ............................................................................ 2 1.3 Tujuan Penulisan ................................................................................... 2 1.4 Manfaat Penulisan ................................................................................. 2 1.5 Metodologi Penulisan ........................................................................... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 3 2.1. Prinsip Kerja Packed Bed ................................................................... 3 2.2 Jenis – Jenis Packed Bed dan Kelebihan serta Kekurangan ................. 4 2.3. Aplikasi Packed Bed dalam Industri “Analisa Transfer Massa Disertai Reaksi Kimia pada Absorpsi CO2 dengan Larutan Potasium Karbonat dalam Packed Column” ................................................................ 9 BAB III KESIMPULAN & SARAN .............................................................. 10 3.1. Kesimpulan ....................................................................................... 10 3.2 Saran ................................................................................................... 10 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 11



ii



BAB I PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Jumlah jenis reaktor sangat besar dalam industri kimia. Bahkan untuk operasi yang sama, seperti nitrasi toluene, jenis yang digunakan: reaktor batch, tangki berpengaduk continuous, dan tangki berpengaduk cascade. Reaktor aliran jenis tubular digunakan untuk banyak proses berbeda seperti nitrasi gliserin, sulfonasi aromatik, atau reaksi fase gas seperti cracking panas atau nitrasi parafin. Reaktor aliran dengan partikel katalis dari fixed bed yang digunakan dalam sintesis amonia atau metanol dan oksidasi xylene menjadi anhidrida ftalat. Serangkaian reaktor fixed bed tersebut digunakan dalam sintesis SO3 atau reformasi hidrokarbon. Reaktor dengan fluidized bed atau moving bed digunakan untuk cracking hidrokarbon, untuk mengoksidasi naftalena, atau untuk oxychlorinating etilen (Froment, et al., 2011). Ada tiga jenis reaktor untuk proses gasifikasi: (1) reaktor gasifier, (2) devolatilizer, dan (3) hidrogasifier dengan pilihan desain tertentu, misalnya, adakah atau tidak dua tahap yang harus terlibat, tergantung pada gas produk akhir yang diinginkan. Reaktor juga dapat dirancang untuk beroperasi pada rentang tekanan dari atmosfer ke proses dan gasifikasi tekanan tinggi juga dapat dipisahkan menurut jenis tidur: (1) fixed bed, (2) moving bed, (3) fluidized bed, dan (4) entrained bed (Speight, 2002). Pemodelan reaktor kimia, seperti yang dikandung dalam bab-bab selanjutnya tidak didasarkan pada bentuk luar peralatan maupun pada reaksi yang terjadi di dalamnya, atau bahkan pada sifat medium, homogen atau tidak. Namun berfokus pada fenomena yang terjadi di reaktor, khususnya reaktor fixed bed (packed bed) untuk mengurangi keragaman ke dalam sejumlah kecil dari model atau tipe dasar reaktor. Fenomena yang terjadi dalam reaktor dapat dipecah menjadi reaksi, transfer massa, panas, dan momentum. Pemodelan dan desain reaktor didasarkan pada persamaan menggambarkan fenomena ini: persamaan laju reaksi dan persamaan kontinuitas, energi, dan momentum. Bentuk dan kompleksitas



1



persamaan ini sekarang akan dibahas, untuk tujuan pengantar dan berorientasi, dalam hal kualitatif.



1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian diatas dapat dirumuskan masalah dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut: 1.



Apa itu reaktor fixed bed/packed bed?



2.



Apa saja fungsi dari fixed bed/packed bed?



3.



Bagaimana prinsip kerja dari alat tersebut?



4.



Apa saja aplikasi dari alat tersebut dalam dunia industri kimia?



1.3 Tujuan Penulisan Berdasarkan rumusan masalah diatas dapat diperoleh tujuan dari penulisan makalah ini yaitu : 1.



Mempelajari mengenai packed bed secara definisi teori maupun praktik.



2.



Mengetahui mengenai fungsi dari alat packed bed.



3.



Mempelajari prinsip kerja dari alat packed bed.



4.



Mengetahui aplikasi alat packed bed dalam industri.



1.4 Manfaat Penulisan Berdasarkan tujuan penulisan diatas mahasiswa diharapkan dapat mengetahui dan memahami tentang alat proses, khususnya fixed bed, baik mengenai alatnya secara definisi, prinsip kerja alat dan kegunaannya dalam skala kecil maupun dalam skala industri.



1.5 Metodologi Penulisan Adapun metodologi yang penulis gunakan dalam penulisan dan penyusunan makalah ini adalah dengan tinjauan pustaka dari berbagai referensi baik media buku cetak maupun media internet.



2



BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1



Prinsip Kerja Packed Bed Packed bed berupa tabung berongga, pipa, atau tabung lain yang diisi



dengan kumpulan material, yang dapat secara acak diisi dengan benda-benda kecil seperti cincin Raschig atau yang lain sehingga menjadi kumpulan terstruktur yang dirancang khusus.



Gambar 2.1 Cincin Raschig



Packed bed mungkin juga mengandung partikel katalis atau adsorben seperti pelet zeolit, karbon aktif granular, dll. Packed bed biasanya digunakan untuk



3



tujuan meningkatkan kontak antara dua fase dalam proses kimia atau proses lainnya yang serupa. Packed bed dapat digunakan dalam reaktor kimia, proses penyulingan, atau scrubber, tetapi packed bed juga telah digunakan sebagai alat untuk menyimpan panas. Dalam hal ini, gas panas diperbolehkan untuk keluar melalui tabung yang dikemas dengan bahan tahan api. Udara atau gas dingin lainnya kemudian diumpankan kembali ke alat, sehingga pemanasan awal dengan umpan udara atau gas (Perry, 1973). Pada kebanyakan aplikasi, tujuan packed bed adalah untuk memberikan pengontakan intim antara uap yang mengalir ke atas dan cairan yang mengalir ke bawah dalam proses pemisahan seperti distilasi dan penyerapan. Pada packed bed, cairan cenderung membasahi permukaan packed dan uap lulus melalui permukaannya, di mana perpindahan massa berlangsung. Packing material dapat digunakan sebagai pengganti nampan atau piring untuk meningkatkan pemisahan dalam kolom distilasi. Packing menawarkan keuntungan dari penurunan tekanan rendah di kolom jika dibandingkan dengan nampan atau piring, yang sangat bermanfaat bila digunakan dalam kolom distilasi vakum. Packing material berbentuk berbeda memiliki area permukaan yang berbeda dan jumlah yang berbeda dari ruang kosong. Kedua faktor ini mempengaruhi kinerja dari packed bed. Secara umum, semakin luas permukaan untuk volume tertentu dari packing material, semakin baik kinerja kemasan. Kinerja faktor lain yang mempengaruhi, selain bentuk packed dan luas permukaan, adalah distribusi uap dan cairan karena mereka yang masuk ke packed bed. Jumlah tahap teoritis yang diperlukan untuk membuat pemisahan yang diberikan dihitung dengan fungsi dari uap untuk rasio cairan. Jika cairan dan uap tidak merata di seluruh packed bed, pemisahan yang diinginkan tidak akan tercapai. Masalahnya bukan packed itu sendiri tetapi mal-distribusi cairan yang memasuki packed bed (McCabe dan Smith, 1976).



2.2



Jenis – Jenis Packed Bed dan Kelebihan serta Kekurangan 1. Packed Bed Dryer Pengeringan adalah panas dan transportasi massal proses paling luas dengan aplikasi di beberapa daerah rekayasa dan berbagai produk industri



4



dan pertanian, termasuk biji-bijian dan biji. Bahan granular basah biasanya dikeringkan dengan konveksi paksa menggunakan aliran udara panas melalui packed bed. Keuntungan packed bed dryer antara lain biaya modal yang rendah dan biaya perawatan yang rendah, peralatan adalah operasi sederhana, tidak memerlukan biaya energi tambahan untuk memindahkan partikel padat seluruh partikel bed, dan meminimalkan kerusakan mekanis material. Selain itu, penyelidikan packed bed dryer menjadi semakin penting untuk memperoleh informasi tentang interaksi fluida-partikel, karena jenis pengering memberikan dasar untuk memahami lebih baik fenomena simultan panas dan perpindahan massa yang terjadi di dalam setiap partikel pada bed, dan transfer fenomena antara fase padat dan cairan dari packed bed, ini menjadi campuran bahan pasir kering dan udara. Kelemahan: Namun, salah satu kelalaian yang paling umum dalam model dua-fase adalah untuk mengabaikan fenomena penyusutan serta perubahan yang disebabkan sifat struktural dari bed. Dimana partikulat, harus menunjukkan bahwa pengeringan partikel mampu deformasi adalah masalah perbedaan yang signifikan dari proses pengeringan lainnya yang melibatkan bahan partikulat kaku, dimana asumsi tersebut adalah valid. Akibatnya, upaya telah diarahkan untuk mengkarakterisasi perubahan fisik dalam berbagai bahan selama pengeringan serta model yang memadai packed bed dryer untuk mensimulasikan perpindahan panas dan massa di media berpori dideformasi (Prado dan Dermeval, 2016).



2. Packed Bed Absorber Packed Bed Absorber berupa tube atau pipa yang diisi dengan beberapa packing. Dimana cairan masuk dari bagian atas, sedangkan gas masuk dari bagian bawah (Suherman, 2009).



5



Gambar 2.2 Packed Bed Absorber



Kelebihan: Kebutuhan tempat kecil, tidak terdapat sumber pengotor kedua, begitu partikel terkumpul, partikel tidak dapat keluar selama proses berjalan, ukuran yang lebih kecil menghasilkan biaya pokok yang lebih kecil dan lebih fleksibel dalam penempatan lokasi, meminimalkan kecelakaan ledakan. Kelemahan: Masalah pembuangan air, kemungkinan dibutuhkan penetral limbah air bekas pencucian (untuk skala besar) agar tidak mencemari lingkungan, menimbulkan korosi (Khairumizan, 2008).



3. Packed Bed Reactor Packed bed reactor digunakan dalam reaksi kimia. Reaktor ini turbular dan dipenuhi dengan partikel katalis padat, yang paling sering digunakan untuk mengkatalisis reaksi gas. Reaksi kimia terjadi pada permukaan katalis. Ketika cairan reaktif mengalir melalui packed bed aktif katalis, kimia yang kompleks dan fenomena fisik berlangsung pada skala yang berbeda dari reaktor. Sebuah reaktor katalitik packed bed adalah perakitan partikel katalitik biasanya berukuran seragam, yang secara acak diatur dan dipegang teguh dalam posisi dalam kapal atau tabung. Reaktan dipasok ke reaktor dengan sebagian besar cairan yang mengalir melalui tempat packed bed. Menghubungkan dengan katalis aktif, reaktan mengalami transformasi



6



kimia, yang biasanya disertai dengan pelepasan panas atau konsumsi panas. Jika perlu, panas dihapus atau dipasok melalui dinding tabung.



Gambar 2.3 Packed Bed Reactor



Packed bed reaktor katalitik adalah "work-horse" dari industri kimia dan minyak bumi. biaya rendah dan kesederhanaan membuat mereka pilihan yang disukai. Packed bed reaktor digunakan dalam pembuatan berbagai bahan kimia industri dasar seperti: - Aliran reformasi sintesis ammnonia gas alam - Produksi asam sulfat - Sintesis metanol - Oksidasi metanol - Produksi etilen oksida - Produksi butadiene - Produksi ftalat anhidrida - Produksi styrene Packed (Fixed) bed reaktor dapat dibagi menjadi beberapa tipe dasar 1. Massive beds a) adiabatik b) dengan tahapan pendinginan (interstage cooling)



7



2. Reaktor jenis tubular penukar panas a) dengan pendinginan eksternal atau pemanasan b) pembakaran eksternal 3. Reaktor turbular dengan pembakaran langsung (Alexander, dkk., 2001). Kelebihan: packed bed reactor secara luas digunakan untuk pengolahan skala besar di industri minyak bumi, konversi yang lebih tinggi per berat katalis dari reaktor katalitik lainnya. konversi didasarkan pada jumlah katalis padat daripada volume reaktor (Eigenberge, 1992). Kelemahan: Regenerasi relatif sulit dilaksanakan, hanya beberapa ukuran pellet yang tahan terhadap pressure drop. Semakin kecil pelet, semakin efisien internal area yang digunakan tetapi lebih besar pressure dropnya menjaga agar distribusi aliran tetap seragam (Winda, 2010).



4. Packed Bed Cooller Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menguji perpindahan panas di dinding-dipanaskan dan dinding-didinginkan packed bed. Dalam penelitian sebelumnya di Worcester Polytechnic Institute, pendinginan ditemukan tren lebih tinggi dari pemanasan. Melalui perubahan dalam model komputer, profil suhu dihitung lebih dekat ke profil eksperimental. Ketika mengubah prosedur eksperimental untuk mengurangi re-packing, tren dalam parameter yang kurang tersebar. Menggunakan perubahan ini, pemanasan dan pendinginan yang ditemukan lebih mirip daripada apa yang diamati di masa lalu (Alexander, dkk., 2001).



5. Packed Column Packed column biasanya digunakan untuk melaksanakan penyerapan dan operasi pembuangan (scrub). Alat ini menyediakan media di mana aliran dua fase saling kontra, dan di mana gas-cairan antarmuka per satuan volume yang relatif besar ada pada volume kolom. Karena sifat dari packing material (biasanya keramik) kolom dikemas dapat beroperasi menggunakan cairan yang sangat korosif. Packed column menguntungkan



8



karena lebih ekonomis dalam membangun dan mengoperasikannya daripada piring atau gelembung-cap, meskipun penurunan tekanan bisa tinggi, yang membutuhkan blower gas yang lebih besar dengan konsumsi energi yang tinggi (Alexander, dkk., 2001). Dalam industri, packed column adalah jenis packed bed yang digunakan untuk melakukan proses pemisahan, seperti penyerapan, pengupasan, dan distilasi. Packed column merupakan bejana tekanan yang memiliki bagian packed. Kolom yang digunakan dalam beberapa jenis kromatografi yang terdiri dari tabung diisi dengan kumpulan material juga dapat disebut packed column dan strukturnya memiliki kesamaan dengan packed bed (Perry, 1973).



Gambar Packed Column



2.3



Aplikasi Packed Bed dalam Industri “Analisa Transfer Massa



Disertai Reaksi Kimia pada Absorpsi CO2 dengan Larutan Potasium Karbonat dalam Packed Column” Absorpsi adalah proses perpindahan massa dari fasa gas ke fasa cair dimana gas tersebut dapat larut dalam fasa cair nya. Absorpsi akan terjadi jika campuran gas dikontakkan dengan liquid yang kemudian satu atau lebih komponen gas akan diserap oleh liquid.



9



Fenomena absorpsi gas disertai reaksi kimia seringkali dijumpai didalam industri. Dalam hal ini statu gas diserap oleh absorben dengan mana gas yang terlarut bereaksi. Tujuan dari penerapan fenomena ini di industri adalah untuk menghilangkan suatu komponen dari campuran gas atau untuk menghasilkan suatu produk reaksi. Desulfurisasi gas menggunakan proses Koppers, absorpsi CO2 didalam larutan potasium karbonat panas adalah beberapa contoh dari proses ini. Untuk penelitian simulasi dikembangkan model absorpsi CO2 kedalam larutan K2CO3 didalam packed column. Model ini terdiri dari dua bagian yaitu neraca mikroskopik dalam packed column dan model perpindahan massa antar massa untuk prediksi laju absorpsi.



Tujuan penelitian ini adalah mempelajari proses perpindahan massa pada absorpsi CO2 dalam packed column untuk reaksi reversible pada kondisi non isothermal. Penelitian dilaksanakan secara eksperimen dan simulasi. Penelitian secara eksperimen dilaksanakan untuk validasi hasil simulasi. Bahan yang digunakan adalah campuran CO2 dan udara serta larutan potasium karbonat. Larutan potasium karbonat dialirkan kedalam packed column dari atas dan dikontakkan secara berlawanan arah dengan aliran campuran CO2-udara dari bawah. Cairan keluar kolom dianalisa dengan titrasi. Sedangkan percobaan simulasi dilaksanakan dengan mengembangkan model neraca massa dan energi mikroskopik pada kolom. Solusi model ini memerlukan informasi mengenai laju transfer massa antar fasa gas-liquid yang dalam hal ini menggunakan model film.



10



Pada penelitian ini dipelajari pengaruh laju alir absorben dan konsentrasi K2CO3 dalam larutan absorben masuk terhadap persen penyisihan gas CO2. Deviasi antara hasil prediksi simulasi dan data percobaan pada penelitian ini dibawah 10% untuk laju alir absorben dari 3 sampai dengan 5 liter/menit dan untuk laju alir 5 sampai dengan 7 liter menit deviasi nya antara 10-30% (Altway, dkk., 2008).



11



BAB III KESIMPULAN DAN SARAN



3.1 Kesimpulan 1.



3.2 Saran 1.



12



DAFTAR PUSTAKA Alexander, Todd, Brianna Ledwith dan Meghan Linsey. 2001. Heat Transfer In Packed Bed Reactors: Heating Versus Cooling. Worcester: Worcester Polytechnic Institute. Altway, Ali, Kusnaryo, Radya Purna Wijaya. 2008. Analisa Transfer Massa Disertai Reaksi Kimia pada Absorpsi CO2 dengan Larutan Potasium Karbonat dalam Packed Column. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Coulson, J. M dan Ricardson J. F. 2016. Chemical Engineering Vol 6. Diakses pada 11 November 2016. Eigenberge, Gerhat. 1992. Fixed Bed Reactors. Universitiit Stuttgart: Germany. Khairumizan, Panji. 2008. Studi Eksperimental Implementasi. Depok: Universitas Indonesia. Perry, R.H., dan Chilton, C.H., 1973. Chemical Engineer's Handbook, 5th Edition. Tokyo: McGraw Hill, Inc. Prado, Manoel Marcelo do and Dermeval José Mazzini Sartori. 2016. Heat and Mass Transfer in Packed Bed Drying of Shrinking Particles. Brazil: University Sergipe dan University of São Carlos. Suherman. 2009. Packed Bed Absorber. Semarang: Universitas Diponegoro. Winda. 2010. Macam-macam Reaktor Heterogen. Diakses pada 12 November 2016.



13