Tugas SP Reakto Hidrolik [PDF]

Citation preview

Nama : Shinta Nurdiyanti NIM : 1507123874 Teknik Lingkungan B



Reaktor Hidrolika Model hidrolik reaktor adalah fungsi dari jenis aliran dan pola pencampuran di unit. Pola pencampuran tergantung pada geometri fisik reaktor, jumlah energi diperkenalkan per satuan volume, ukuran atau skala unit dan faktor lainnya. Dalam hal flow, ada dua kondisi berikut:  



Intermiten flow (Batch): input dan / atau output terputus-putus Terus menerus flow: Input dan output yang berkesinambungan



Dalam hal pola pencampuran, ada dua model hidrolik ideal dasar, yang mendefinisikan sebuah amplop di dalam yang pola lainnya ditemukan. Ini adalah plug aliran dan reaktor lengkap-mix, yang mengarah pada alternatif utama sebagai berikut:    



Plug flow reactor Complete-mix reactor Dispersed flow Reactors in series and/or in parallel



Tabel 1. Karakteristik reaktor yang paling sering digunakan dan model hidrolik dalam pengolahan limbah. Model Hidrolik



Reaktor Batch



Plug Flow



Skematik



Karakteristik Sebuah reaktor batch adalah satu dimana tidak ada aliran yang memasuki atau meninggalkan. Isi reaktor adalah campuran. Semua elemen yang terkena treatment terhadap waktu sama dengan waktu tinggal substrat dalam reaktor. Oleh karena itu, reaktor batch berekasi seperti volume diskrit reaktor flow plug. Botol Uji BOD adalah salah satu contoh dari reaktor batch. Salah satu varian dari proses lumpur aktif adalah reaktor sequencing batch. Partikel-partikel fluida memasuki tangki terus menerus dalam satu ujung melewati reaktor dan kemudian dibuang di ujung lain, dalam ruangan yang sama dimana partikel tersebut memasuki reaktor. Partikel-partikel



Model Hidrolik



Complete Mix



Dispersed flow



Reaktor lengkap-mix secara seri



Skematik



Karakteristik fluida bergerak sebagai piston, tanpa adanya pencampuran longitudinal. Partikel-partikel mempertahankan ciri khas mereka dan tinggal di tangki dengan jangka waktu yang sama dengan waktu detensi teoritis hidrolik. Jenis flow diperbanyak dalam tangki panjang dengan rasio besar panjangluasnya, dimana dispersi memanjang minimal. Reaktor ini juga disebut reaktor tubular. Plug Flow reaktor adalah reaktor ideal, karena tidak adanya pelengkap dispersi longitudinal yang sulit dipraktekkan. Partikel-partikel yang masuk tangki segera tersebar di seluruh bagian reaktor. Input dan output mengalir terus menerus. Partikel-partikel fluida yang meninggalkan tangki sebanding dengan populasi statistik mereka. perpaduan lengkap dapat diperoleh dalam tangki melingkar atau persegi yang tangki diisi terus-menerus dan merata. reaktor lengkap-mix juga dikenal sebagai CSTR atau CFSTR (continuous- flow diaduk reaktor tangki). reaktor lengkap-mix adalah reaktor ideal, karena dispersi total dan identik sulit untuk mendapatkan dalam praktek.



Tersebar atau berubah-ubahnya aliran diperoleh dalam reaktor manapun dengan tingkat menengah dari pencampuran antara dua ekstrem ideal plug flow campuran dan lengkap. Pada kenyataannya, sebagian besar reaktor menunjukkan kondisi dispersed flow. Namun, karena semakin besar kesulitan untuk dalam pemodelan alirannya, pola aliran sering diwakili oleh salah satu dari dua model hidrolik ideal. Input dan output mengalir secara terus menerus. reaktor lengkap-mix dalam seri digunakan untuk model aturan hidrolik yang ada antara steker ideal aliran dan aturan campuran lengkap. Jika seri terdiri dari hanya satu reaktor, sistem memperbanyak



Model Hidrolik



Skematik



Karakteristik reaktor lengkap-mix. Jika sistem memiliki jumlah tak terbatas pada reaktor seri, steker flow diperbanyak. Input dan output mengalir secara terus menerus. Reaktor secara seri juga sering ditemukan di kolam pematangan.



Packed-bed reactors



reaktor ini diisi dengan beberapa jenis kemasan media, seperti batu, plastik, keramik dan lain-lain. Mengenai aliran dan saturasi, reaktor ini bisa terendam, dengan pori-pori jenuh (filter anaerobik dan filter aerasi terendam) atau dengan dosis intermiten, dengan non-jenuh poripori (trickling filters). aliran bisa ke atas atau ke bawah.



Tabel 2. karakteristik operasional sistem reaktor utama



Pembahasan mengenai reaktor: 1. Plug-flow reactor ideal. Plug-flow yang ideal adalah ketika setiap unsur fluida yang keluar dari tangki sama dengan yang masuk ke dalam tangki. Tidak ada unsur lain yang terikut ataupun yang menghambat aliran tersebut. Aliran tersebut terjadi sebagai perpindahan piston dari hulu ke hilir, tanpa adanya pengadukan antara piston dan tanpa penyebaran (dispersi). Oleh karena itu, setiap unsur yang ada pada fluida tersebut akan terkena treatment pada periode waktu yang sama (seperti didalam batch reactor), yang mana sama dengan waktu detensi hidrolika teoritis. Pada gambar 1 menunjukkan hasil dari konsentrasi terhadap waktu dan posisi yang ideal untuk Plug-flow reactor yang diajukan untuk aliran influen yang konstan dan konsentrasi (pada saat kondisi steady-state). Apabila beban influen bervariasi (kondisi yang dinamis), maka penurunan rumus untuk Plug-flow reactor akan lebih sulit dibandingkan dengan rumus



untuk complete mix. Hal ini dikarenakan konsentrasi didalam plug-flow bervariasi dengan waktu dan ruang yang ada didalam reaktor, sementara pada complete mix variasi ini hanya pada waktu (dengan konsentrasi yang sama pada berbagai posisi reaktor). Inilah kenapa complete mix reactors pada seri lebih sering digunakan untuk simulasi plug-flow reactor dibawah kondisi yang dinamis. Jika konsentrasi influen konstan, maka konsentrasi effluen yang tertinggal juga konstan terhadap waktu. Konsentrasi profile didalam tangki dan oleh karena itu konsentrasi effluen, bergantung dengan tipe dan laju reaksi konsituen. Tabel 2.3 merangkum persamaan intervensi utama. Generalisasi berikut dapat dibuat untuk Plug-flow reactor yang ideal dalam kondisi steady state: • •



Zat Konservatif: konsentrasi effluen sama dengan konsentrasi influen. Zat biodegradable dengan reaksi orde nol: tingkat removal konstan dari inlet ke ujung outlet reaktor. • Zat biodegradable dengan reaksi order-pertama: sepanjang reaktor, penghapusan substrat koefisien (K) adalah konstan, tetapi lipatan konsentrasi berkurang secara bertahap sementara air limbah mengalir di sepanjang reaktor. Pada ujung inlet reaktor, konsentrasi tinggi, yang mana menyebabkan tingkat pembuangan menjadi tinggi juga (di reaksi order-pertama tingkat pembuangan sebanding dengan konsentrasi). Pada akhir outlet reaktor, konsentrasi akan berkurang, oleh karena itu tingkat pembuangan menjadi rendah, lebih banyak waktu yang diperlukan untuk mengurangi nilai satuan konsentrasi. • Order-pertama atau reaksi yang lebih tinggi: Plug flow lebih efisien daripada complete-mix reactor.



Gambar 1. Konsentrasi profile – Plug-flow reactor yang ideal pada kondisi steadystate. Keterangan gambar: C = konsentrasi pada waktu; Co = konsentrasi influen; Ce = konsentrasi effluen; K = Koefisien reaksi; th = waktu detensi hidrolik; d = jarak (panjang reaktor); v = kecepatan horizontal. Pada gambar ini, waktu merupakan waktu operasional dan bukan waktu perjalanan sepanjang reaktor. Tabel 3. Plug-flow reactor ideal. Kondisi Steady-state. Persamaan untuk perhitungan konsentrasi sepanjang tangki dan konsentrasi effluen 3



2. complete-mix reactor ideal. Reaktor dengan aliran kontinyu dan kondisi pengadukan lengkap yang ideal adalah satu dari semua unsur yang masuk kedalam reaktor secara instan dan terdispersi secara keseluruhan. Hingga isi didalam reaktor homogen, konsentrasi komponen apapun pada tempat yang sama didalam tangki. Hasilnya, konsentrasi effluen sama dengan titik didalam reaktor. Mass balance didalam reaktor adalah: Akumulasi = Input - Output + Produksi - Konsumsi V.



dC = Q .C 0- Q .C + r p. V - r V c. dt



(1)



Tabel 4. Complete-mix reactor Ideal. Kondisi Steady-state. Persamaan untuk perhitungan konsentrasi sepanjang tangki dan konsentrasi effluen



Pada steady-state tidak ada akumulasi massa didalam reaktor, sehingga dC/dt = 0. Pada analisis tidak ada produksi pada konsituen, hanya reaksi konsumsi. Karena itu, rp = 0. Membagi sisa dari Q, dan diketahui bahwa t = V/Q, diikuti dengan persamaan diperoleh: 0 = C0 - C - rc.t



(2)



Dengan penyusunan kembali rumus (2), konsentrasi profile sepanjang complete-mix reactor dan konsentrasi effluen pada kondisi steady-state bisa di hitung (Gambar 2). Pada influen konsentrasinya konstan, pada effluen konsentrasi juga tetap dengan waktu. Konsentrasi effluen bergantung pada tipe dan laju reaksi konsituen. Namun, konsentrasi profile sepanjang reaktor menggambarkan konsentrasi yang konstan, yang mana sesuai dengan asumsi pada konsentrasi complete-mix reactor yang sama dengan tiap titik pada tangki. Tabel 4 merangkum persamaan utama. Perbandingan antara plug-flow reactor, konsentrasi effluen hanya berbeda pada reaksi order pertama (atau lebih tinggi). Untuk reaksi order yang lain, complete-mix reactor kurang efisien dibandingkan dengan plug-flow reactor.



Gambar 2. Konsentrasi profile – complete-mix reactor yang ideal pada kondisi steadystate. Keterangan gambar: C = konsentrasi pada waktu; Co = konsentrasi influen; Ce = konsentrasi effluen; K = Koefisien reaksi; th = waktu detensi hidrolik; d = jarak (panjang reaktor); v = kecepatan horizontal. Pada gambar ini, waktu merupakan waktu operasional dan bukan waktu perjalanan sepanjang reaktor 3. Sel Dalam Seri Secara luas menggunakan model hidrolik complete-mix reactor dalam seri ataupun sel dalam seri. Sistem ini terjadi dalam praktek, seperti pada kolam pematangan atau lumpur aktif reaktor dengan bagian internal, atau bisa digunakan model teoritikal untuk menunjukkan kembali kondisi hidrolik intermediet diantara complete-mix dan plug flow. Ketika volume total didistribusikan hanya dalam satu sel, sistem berperilaku seperti reaktor lengkap-mix konvensional. Jumlah intemediet sel mensimulasi aliran dispersi, dengan sistem mendekati tindakan complete-mix atau plug flow yang bergantung pada jumlah bagian-bagian yang diambil. Pada sisi lain, ketika sistem terbagi sampai bagian jumlah terbesar sel, itu cenderung ke plug flow. Gambar 3 menunjukkan skematis dua kemungkinan susunan sell di dalam seri, sel pertama dengan volume yang sama dan kedua dengan perbedaan volume sel.



Gambar 3. Skematis susunan sel dalam seri. (a) sel yang sama; (b) Sel yang berbeda Konsentrasi effluen dari setiap sel memberikan rumus yang sama untuk complete mix. Demikian pula terdapat tiga hal kemungkinan, tergantung dengan laju penyisihan: a. Zat konservatif Sejak tidak adanya penyisihan pada zat konservatif, effluen dari tiap sel sama dengan influen, yang mana juga sama dengan influen secara keseluruhan (pada steady state). Demikian, effulen akhir didapat sebagai: Ce = Co



b. Zat biodegradable (penyisihan order-nol) Dalam reaksi order-nol, rumus untuk satu sell adalah Ce = Co – K.t. Effluen pada sel pertama adalah:



CE1 = Co - K.t1 Dimana: CE1 = konsentrasi effluen pada sel pertama t1



= waktu detensi hidrolik pada sel pertama



Effluen dari sel pertama adalah influen untuk sel kedua. Oleh karena itu: Ce2 = CE1 - K.t2 = Co - K.t1 - K.t2 Dimana: CE2 = konsentrasi effluen pada sel kedua t2



= waktu detensi hidrolik pada sel kedua



Untuk sistem sel n: Ce = Co - K.t1 - K.t2 - ··· - K.tn Ce = Co - K. (t1 + t2 + ··· + tn) Ce = Co - K.th



Dimana: Ce = konsentrasi effluen final th



= waktu detensi hidrolik pada sistem



c. Zat Biodegradable (penyisihan order-pertama) Pada reaksi order-pertama, rumus untuk satu sel adalah Ce = Co/(1 + Kt). Jadi, untuk effluen satu sel adalah:



Effluen dari sel pertama adalah influen dari sel kedua. Diperoleh:



Rumus secara umum/penyesuaian untuk n sel:



Apabila semua sel mempunyai volume yang sama (sebagai akibat, waktu detensi hidrolik yang sama), maka persamaan diatas dapat dibuat:



Tabel 5. Complete-mix cells dalam seri. Kondisi Steady-state. Persamaan untuk perhitungan konsentrasi sepanjang tangki dan konsentrasi effluent



Gambar 4. Efesiensi penyisihan untuk order-pertama pada sistem kinetik yang tersusun dari CSTR sel dalam seri, sebagai fungsi tanpa dimensi produk K.t Dimana: Ce = konsentrasi effluen akhir (g/m3) K = koefesien reaksi (d-1) t1 = waktu detensi hidrolik hanya untuk satu sel (d) th = total waktu detensi hidrolik pada sistem (kesimpulan terhadap volume semua sel) (d) Pada aplikasi praktek, seharusnya diambil pada laporan yang koefesien reaksi K memungkinkan perbedaan dari sel satu dengan yang lain. Misalnya, sel pertama, menerima lebih besar zat biodegradable yang nilai K nya lebih tinggi daripada sel selanjutnya yang mana menerima lebih sedikit influen biodegradable. 4. Aliran Dispersi Secara riil, reaktor yang ada dalam praktek tidak berperilaku persis seperti dua model hidrolik ideal plug flow dan complete mix. Namun, dua model yang ideal yang mengkonfigurasi sebuah sampul, dimana didalam reaktor dapat ditemukan



dalam praktek. Alasan yang nyata karena reaktor tidak diikuti dengan model ideal karena: 



Penyebaran. dispersi adalah transportasi longitudinal bahan akibat turbulensi dan difusi molekuler.







sirkuit pendek hidrolik. Ini memperhitungkan bagian dari aliran dan merupakan hasil dari stratifikasi, misalnya karena perbedaan kepadatan, dan bukan karena karakteristik fisik dari sistem. Efek utama adalah pengurangan waktu tinggal efektif.







volume mati. Efeknya mirip dengan sirkuit pendek (pengurangan waktu tinggal efektif), tapi penyebab adalah fungsi dari karakteristik fisik dari sistem. Mereka terjadi di sudut-sudut tank, bendung di bawah dan di sisi internal kurva.



Pada kondisi pengadukan pada aliran dispersi reaktor mengikuti karakteristik jumlah dispersi, yang dapat defenisikan sebagai: d = D/U.L where: d = jumlah dispersi (-) D = aksial atau koefesien dispersi longitudinal (L2T-1) U = rata-rata kecepatan horizontal (LT-1) L = Panjang reaktor (L) Tabel 6. Nilai khusus dari d (= D/UL) untuk unit treatment yang berbeda



Pada dua reaktor yang ideal, terdapat kondisi limit: 



plug flow : tidak dispersi (D = 0 dan d = 0)







complete mixing : dispersi tak terhingga (D = ∞ dan d = ∞)