EVALUASI UNJUK KERJA REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK MENGGUNAKAN PERUNUT RADIOISOTOP

Transkripsi

1 EVALUASI UNJUK KERJA REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK MENGGUNAKAN PERUNUT RADIOISOTOP NOOR ANIS KUNDARI, DJOKO MARJANTO, ARDHANI DYAH W Sekolah Tngg Teknolog Nuklr, BATAN Yogyakarta Jl.Babarsar Kotak Pos 6101/YKBB Yogyakarta 5581 Telp Faks Abstrak EVALUASI UNJUK KERJA REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK MENGGUNAKAN PERUNUT RADIOISOTOP. Peneltan evaluas unjuk kerja reaktor alr tangk berpengaduk (RATB) menggunakan perunut radosotop telah dlakukan. Peneltan n dmaksudkan untuk mengkaj kebenaran penganggapan bahwa pengadukan atau pencampuran dalam reaktor alr tangk berpengaduk adalah sempurna. Untuk dapat menyeldk dnamka proses alran fluda dalam reaktor dgunakan radosotop I-131. Fluda/ar yang keluar dar reaktor dcuplk pada waktu 13 detk sampa dengan 1373 detk dan danlss kadar I-131nya. Unjuk kerja reaktor alr tangk berpengaduk dnyatakan dalam blangan dspers (D/uL) dan mengkut model dspers aksal sebaga fungs waktu tnggal rata-rata dan blangan Reynold. Hasl peneltan menunjukkan bahwa D/uL = 9X10-4 (t s * ) 6,9X10-1 (t s * ) dan D/uL = 65,7 e 0,0003/Re. Nla blangan dspers berksar antara 11,08 sampa 1,4, selalu jauh d atas 0,01 n berart pencampuran yang terjad dalam reaktor alr berpengaduk yang devaluas dapat danggap deal. Kata kunc: Blangan dspers, unjuk kerja reaktor, perunut, radosotop Abstract EVALUATION OF CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR PERFORMANCE BY USING RADIOISOTOPE TRACER. Research on performance evaluaton of contnuous strred tank reactor (CSTR) usng radosotop tracer has been carred out. The am of research s to assess a valdty of assumpton that strrng or mxng process n a CSTR s perfect. In order to follow the flow dynamcs process of the flud n the reactor, I-131 was used. The reactor was equpped wth four baffles. The flud/water leavng the reactor was sampled at 13 up to 1393 seconds and analysed ts I-131 concentraton. The performance of CSTR s expressed as dspersed number (D/uL) as functon of retenton tme and Reynold number under axal dspersed model. The expermental result show that the relaton between the dsperton number and retenton tme s D/uL = 9X10-4 (t s * ) 6.9X10-1 (t s * ) and the dsperton number and Reynold number s D/uL = 65.7 e /Re. The dsperson number obtaned were much hgher than 0.01 that n between up to 1.4. That mean the mxng process occurred n the CSTR can be assumed to be deal. 49

2 JFN, Vol 3 No. 1, Me 009 ISSN Keywords: Dsperson Number, Reactor s performance, tracer, radosotope PENDAHULUAN Pendekatan teorts pada perancangan reaktor kma telah dkembangkan secara sstematk dengan mengedepankan seluruh pengetahuan dalam lmu dasar dan teknk dalam bdang reaks kma [1] Pada dasarnya, unjuk kerja reaktor yang sesungguhnya perlu dketahu dan dbandngkan dengan pendekatan teorts yang telah dkembangkan, termasuk reaktor alr tangk berpengaduk (RATB). Bagan utama reaktor alr tangk berpengaduk adalah tangk dan pengaduk. Pada umumnya reaktor n dlengkap dengan saluran masuk dan keluar, penghalang, dan perlengkapan lan sesua dengan peruntukannya msalnya tutup, termometer, dan pemanas/pendngn []. Pada perhtungan-perhtungan yang terkat dengan penggunaan reaktor alr kma dalam ndustr, umumnya ddekat dengan keadaan deal. Dalam reaktor alr tangk berpengaduk keadaan deal berar waktu tnggal setap komponen d dalam reaktor tu adalah sama serta komposs yang ke luar dar reaktor sama dengan komposs d dalam reaktor [3]. Informas n sudah basa dgunakan untuk menghtung kecepatan reaks, konvers, ukuran reaktor, keperluan pemanas/pendngn, dan keperluan terkat lannya. Namun sesungguhnya, yang terjad dalam reaktor belum tentu deal. Ketdakdealan n dapat mengakbatkan kesalahan hasl perhtungan, yang bsa berdampak buruk. Oleh karena tu, perlu dlakukan evaluas unjuk kerja terhadap reaktor. Evaluas unjuk kerja RATB dapat dlakukan dengan menganalss waktu tnggal zat alr d dalam reaktor untuk menentukan blangan dspers. Dstrbus waktu tnggal zat car d dalam RATB dapat dtentukan dengan teknk perunut. Sulstyo dan Handayan, 1997, telah melakukan peneltan Unjuk Kerja Reaktor Alr Tangk Berpengaduk menggunakan perunut HCl. Dar peneltan tu dketahu bahwa unjuk kerja reaktor alr tangk berpengaduk dapat devaluas berdasarkan dstrbus waktu tnggal perunut HCl d dalam reaktor [4]. Peneltan n bertujuan untuk melakukan evaluas unjuk kerja reaktor alr tangk berpengaduk dengan perunut radoaktf atau perunut radosotop. Perunut radoaktf yang juga dsebut senyawa bertanda, adalah senyawa yang mengandung radosotop. Penjejak n dapat dgunakan untuk mengukur kecepatan proses kma, waktu tnggal fluda d dalam reaktor, dan mengkut gerakan suatu benda dalam sstem hayat sepert sel dan jarngan. Sebelum perunut radosotop dkenal, serngkal dgunakan zat warna atau gugusgugus atom tertentu yang dapat dgabungkan dengan molekul senyawa yang hendak dkut sebaga perunut. Walaupun perunut n dapat mengkut proses 50

3 ISSN Evaluas Unjuk Kerja (Noor Ans K, dkk) yang bergerak, namun terdapat kekurangan yatu: 1) bahwa perunut tersebut tdak dapat dpastkan betul-betul mengkut jalan yang sama dengan bahan yang dkut akbat perbedaan senyawa; ) Agar mudah ddeteks, serngkal dperlukan jumlah perunut yang banyak. Dengan perunut radosotop, kedua kekurangan n dapat terhapus [5]. Penggunaan sotop radoaktf sebaga perunut ddasarkan pada senyawa bertanda dalam jumlah tertentu dmasukkan ke dalam sstem yang akan dseldk, sehngga dapat bercampur dengan bak. Gerakan radosotop yang berada dalam sstem tu dapat dkut dengan detektor sehngga keadaannya dapat dengan mudah dketahu. Hal n dmungknkan bla radosotop tu memancarkan radas gamma () yang mampu menembus dndng wadah, sehngga dapat ddeteks dar luar tanpa mengganggu keadaan sstem tersebut [6]. Banyak peneltan penggunaan perunut radoaktf yang telah dlakukan. Baba (1985) menggunakan senyawa bertanda C-14 untuk menentukan puncak-puncak dalam analss kromatograf gas [7]. Fuman (004) menggunakan radosotop Cu-64 untuk menyeldk model penurunan kadar ar pada pembuatan konsentrat tembaga. Da melakukan analss terhadap waktu tnggal rata-rata untuk menentukan model knetka proses d dalamnya [8]. Secara sederhana, waktu tnggal dalam reaktor alr tangk berpengaduk pada keadaan steady adalah volume tangk ters caran dbag dengan kecepatan alr umpan yang masuk sehngga dapat dtuls dengan persamaan sebaga berkut [9]. V τ (1) F Namun, konds yang sesungguhnya terjad dalam reaktor kma tdak selalu mencapa keadaan steady terus menerus. Oleh karena tu, jka dgunakan Persamaan 1, dapat terjad penympangan. Tujuan dan prnsp teknk perunut adalah mempelajar dan menyeldk dnamka suatu sstem dengan cara menanda sstem tu dengan perunut. Suatu bahan dapat dgunakan sebaga perunut jka memlk krtera: dapat menyatu atau menjad bagan dar sstem tersebut dan kehadrannya tdak boleh mengganggu, mengubah, dan atau mempengaruh sstem, serta mudah ddeteks bak secara langsung (n stu) maupun secara pengamblan sampel. Peneltan n bertujuan untuk mengevaluas unjuk kerja reaktor alr berpengaduk skala laboratorum dengan perunut radosotop I-131 karena memlk krtera tu [10]. 51

4 JFN, Vol 3 No. 1, Me 009 ISSN Penggunaan perunut untuk menentukan dstrbus waktu tnggal dnamakan teknk stmulus response, yatu suatu teknk dengan menambahkan perunut ke dalam alran masuk reaktor dan menganalss konsentras perunut dalam alran yang ke luar dar reaktor. Cara yang lazm dalam menambahkan perunut ke dalam alran dapat dlakukan dengan cara pulse nput ataupun step nput. Pada peneltan n dgunakan cara pulse nput, yatu dengan menyuntkkan perunut secara cepat ke dalam reaktor dengan waktu sesngkat mungkn, kemudan konsentras perunut yang ke luar dar reaktor d analss setap saat. Evaluas konsentras perunut pada alran keluar dapat dnyatakan dalam parameter E(t). Pada penambahan perunut secara pulse nput dgunakan persamaan sebaga berkut [3]. t ct Co E () 0 C 0 c(t)dt (3) dengan E(t) = fungs dstrbus waktu tnggal, c(t) = konsentras perunut keluar reaktor setap saat, dan C 0 = jumlah konsentras perunut keseluruhan yang masuk ke reaktor. Berdasarkan fungs dstrbus waktu tnggal, waktu tnggal rata-rata dapat dnyatakan dengan persamaan [3] : t * tetdt (4) dengan t * =waktu tnggal rata-rata, t=waktu. Evaluas unjuk kerja reaktor dapat dnyatakan dengan model yang ddasarkan atas penympangan dar keadaan deal yatu model dspers aksal. Pada model dspers aksal, danggap bahwa perpndahan massa ke arah aksal terjad dsebabkan oleh dfus dan dbawa alran yang dnyatakan dengan blangan dspers D/uL, dengan D=Dfusvtas atau kecepatan penyebaran [luas/waktu], u=kecepatan lner fluda [jarak/waktu], dan L=panjang lntasan. Blangan dspers D/uL, merupakan kelompok tak berdmens yang mencrkan penyebaran fluda secara menyeluruh d dalam tangk. Blangan dspers juga menggambarkan proses penyebaran perunut yang dmasukkan ke dalam reaktor, yang dapat djelaskan sebaga berkut. Nla D/uL yang besar berart terjad penyebaran secara cepat, nla D/uL yang kecl menunjukkan penyebaran yang lambat atau kecl, dan D=0 berart tdak ada penyebaran. 5

5 ISSN Evaluas Unjuk Kerja (Noor Ans K, dkk) Blangan dspers dapat dtentukan dengan merekam bentuk kurva konsentras perunut yang keluar. Analss dlakukan dengan menghtung waktu tnggal rata-rata (t * ) dan ukuran penyebaran dstrbus atau varan ( ). Perhtungan (t * ) dan ( ) untuk data terpsah maupun berkelanjutan dapat menggunakan persamaan sebaga berkut [3]. * t c(t)dt 0 tcδt cδt c(t)dt t (5) σ 0 0 * (t t )c(t)dt c(t)dt 0 0 t c(t)dt t c(t)dt * (6) σ (t t ) cδt c Δt * t cδt c Δt Penyusunan neraca massa perunut dalam reaktor menghaslkan persamaan sebaga berkut [3]. t * (7) D ul C C C z z t (8) dengan ul D adalah blangan dspers. Keadaan batas untuk persamaan neraca massa d atas adalah: pada z > 0 dan t = 0, C =0 dan pada z < 0 dan pada t = 0, C=C 0. Blangan dspers adalah parameter yang menunjukkan luas dspers atau penyebaran ke arah aksal. Dengan demkan jka ul D = 0 berart tdak ada penyebaran, sedangkan jka D = berart terjad penyebaran secara ul sempurna. Penyebaran n juda dapat dartkan pencampuran. Blangan dspers dapat dtentukan dengan persamaan [3] : 53

6 JFN, Vol 3 No. 1, Me 009 ISSN dengan D D ul D σ θ 1 e (9) ul ul σ θ adalah varan dalam bentuk tak berdmens. Dalam peneltan n dgunakan reaktor dengan dmens yang deal yatu perbandngan ukuran reaktor dan ukuran perlengkapan reaktor serta poss perlengkapan reaktor dan volume fluda. [] Dengan demkkan dharapkan akan dperoleh Blangan Dspers d atas 0,01. Jka kesalahan kurang dar 5%, maka penggunaan perunut radosotop dapat dterma [3]. Agar dperoleh persamaan yang dapat dpergunakan lebh luas, kecepatan pengaduk dubah menjad Blangan Reynold. Blangan Reynold, Re, dapat dtuls dengan sebaga berkut [9]. ρvd Re (10) µ dengan menunjukkan rapat caran, v adalah kecepatan, d adalah lebar pengaduk, dan adalah vskostas caran. Kecepatan v, adalah kecepatan lner, karena yang dukur dalam peneltan n adalah kecepatan putar pengaduk, v dapat dtuls dengan kecepatan putar pengaduk dkalkan dengan lebar pengaduk, Nd, sehngga Persamaan 10 dapat dtuls menjad: ρnd Re µ Dar perhtungan waktu tnggal rata-rata, blangan Reynold, dan nla D/ul, serta berdasarkan data percobaan maka dapatlah dbuat hubungan D/ul dengan waktu tnggal dan dengan Blangan Reynold. (11) METODE PENELITIAN Bahan Bahan yang dgunakan dalam peneltan n adalah ar sebaga fluda yang akan drunut. Ar yang dgunakan berasal dar ar sumur pada suhu 9 o C, rapat massa 0,996 g/ml dan vskostas 0,008 g/cm.detk. Radosotop I-131 dengan waktu setengah umur 8,08 har, konsentras 91 mc/ml dan aktvtas awal 18, mc/0, ml, dencerkan menjad 1,5 ml dengan menambahkan ar. 54

7 ISSN Evaluas Unjuk Kerja (Noor Ans K, dkk) Alat Alat yang dgunakan dalam peneltan n adalah reaktor tangk berpengaduk dengan dmens: tngg 16 cm, dameter 1 cm, volume caran 1350 ml, 4 penghalang dengan tngg 9 cm dan lebar 1 cm, serta pengaduk dengan lebar sudu,5 cm. Reaktor n dsusun dengan alat-alat lan yang dtunjukkan pada Gambar 1. Selan alat tersebut dgunakan alat-alat pencacah Geger Muller, survemeter beta-gamma, detektor GM, dan alat-alat gelas laboratorum. Gambar 1. Rangkaan Alat Percobaan Cara Kerja Mula-mula tangk penampung ds ar sampa penuh kran dbuka sampa terjad peluapan melalu saluran, kemudan ar dalrkan ke dalam reaktor yang sudah bers ar dan daduk dengan kecepatan putar tertentu. Kecepatan alr datur, dan dbaca dengan alat rotameter. Setelah keadaan steady, yang dtanda dengan tngg pelampung yang sudah tetap, 1 ml perunut dnjekskan ke dalam alran umpan. Cuplkan dambl dar alran yang keluar reaktor, pada beberapa perode waktu dan dmasukkan ke dalam botol plastk, untuk danalss kadar perunut dengan teknk pencacahan. HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan dlakukan dengan volume caran dalam reaktor 1500 ml, varas kecepatan alr, 0,97,,14, dan 3,18 ml/detk dan varas kecepatan putar pengaduk 15, 150, dan 175 putaran per ment. Perunut yang dgunakan adalah I-131 yang memlk waktu paruh 8,08 har, dengan aktvtas 0,519 sebanyak 0, ml lalu dencerkan menjad 1,5 ml. Cuplkan ar yang keluar 55

8 JFN, Vol 3 No. 1, Me 009 ISSN dar reaktor dambl mula 13 detk sampa 1393 detk. Hasl percobaan masng-masng dapat dlhat pada Gambar dan Gambar 3. Gambar. Hubungan Konsentras Perunut Dengan Waktu Pada Kecepatan Pengaduk 15 Putaran/Detk Gambar 3. Pengaruh Putaran Pengaduk Waktu tnggal rata-rata sesungguhnya dhtung menggunakan Persamaan 5. Selanjutnya, dengan Persamaan 9 dan bantuan Persamaan 6, 7, dan 8 dengan cara Newton Raphson [11] dapat dhtung blangan dspers aksal. Hasl perhtungan dsajkan pada Tabel 1. untuk varas kecepatan alr. Agar dperoleh persamaan yang dapat dpergunakan lebh luas, varas kecepatan pengaduk dubah menjad Blangan Reynold, menggunakan Persamaan 11 dan haslnya dsajkan pada Tabel. 56

9 ISSN Evaluas Unjuk Kerja (Noor Ans K, dkk) Tabel 1. Perhtungan Waktu Tnggal dan D/uL pada Beberapa Kecepatan Alr (Kecepatan Pengaduk 15 Putaran/Ment) Kec. Alr (ml/s) t * s, detk D/uL 0, ,18, ,08 3, ,40 Dar Tabel 1 dapat dlhat bahwa semakn besar kecepatan alr, nla D/uL semakn besar. Hal n menunjukkan bahwa penyebaran semakn cepat. Blangan dspers yang dperoleh semua d atas 0,01 yang berart bahwa dspers atau penyebaran partkel atau komponen-komponen dalam reaktor terjad dengan cepat atau pencampuran bersfat deal. Data hubungan D/uL dengan waktu tnggal rata-rata dapat dbuat grafk yang dsajkan pada Gambar 4. Gambar 4. Hubungan D/uL dengan ts Dar Gambar 4 dperoleh hubungan blangan dspers dengan waktu tnggal rata-rata pada ksaran 69 sampa dengan 351 detk dapat dtuls dengan Persamaan 1. D ul * 1 * t 6,910 t 148 s Persamaan 1 dapat dgunakan untuk menghtung D/uL pada beberapa kecepatan alr yang dnyatakan sebaga Blangan Reynold menurut 10. Haslnya dsajkan pada Tabel. Tabel. Hasl Perhtungan D/uL pada Beberapa Kecepatan Alr (Kecepatan Alr, Fv =,14 ml/detk) Kec putar pengaduk, putaran/ment Blangan Reynold t * s, detk D/uL , , ,74 s (1) 57

10 JFN, Vol 3 No. 1, Me 009 ISSN Dar Tabel dapat dlhat bahwa, semakn tngg blangan Reynold blangan dspers semakn besar. Hal n sesua dengan pengertan Blangan Reynold yang menunjukkan bahwa semakn besar blangan Reynold berart dnamka fluda d dalam sstem semakn turbulen. Hubungan blangan dspers dengan Blangan Reynod dapat dbuat grafk yang dsajkan pada Gambar 5. D/uL Re Gambar 5. Hubungan D/uL dengan Blangan Reynold Jka blangan dspers dan blangan Reynold dbuat dalam bentuk persamaan dperoleh Persamaan 13. 0,0003 Re D ul 65,7 e (13) Persamaan 13 dperoleh pada ksaran Blangan Reynold 1585 sampa dengan 15. KESIMPULAN Dar hasl peneltan yang dperoleh, maka dapat dtark kesmpulan sebaga berkut: 1. Perunut radosotop dapat dgunakan untuk mengevaluas unjuk kerja reaktor alr tangk berpengaduk dengan menentukan dstrbus waktu tnggal untuk menghtung blangan dspers... Makn besar kecepatan alr umpan blangan dspers semakn besar. 3. Makn besar Blangan Reynold, semakn besar pula blangan dspers. 4. Blangan dspers reaktor yang devaluas berksar antara 11,08-1,40 yang berart bahwa pencampuran dalam reaktor bersfat sempurna atau reaktor deal. 5. Hubungan blangan dspers dengan waktu tnggal rata-rata pada ksaran detk dapat dtuls dengan persamaan D/uL = 9X10-4 (t s * ) 6,9X10-1 (t s * ) Hubungan blangan dspers dengan blangan Reynold pada ksaran dapat dtuls dengan persamaan D/uL = 65,7 e 0,0003/Re. 58

11 ISSN Evaluas Unjuk Kerja (Noor Ans K, dkk) UCAPAN TERIMA KASIH Penuls mengucapkan terma kash kepada Bapak Ir. Bangun Wasto, M.Sc. yang telah memberkan koreks dan saran yang membangun untuk perbakan tulsan n. DAFTAR PUSTAKA 1. MARKERTIHARTHA, IGBN, 000, Teknk Reaks Kma, Jurusan Teknk Kma, ITB, Bandung.. RASE, H.F., 1977, Chemcal Reactor Desgn for Process Plant, Vol 1, John Wley and Sons, New York. 3. LEVENSPIEL, O., 1999, Chemcal Reacton Engneerng, 3 ed., John Wley and Sons, New York. 4. SULISTYO, H. dan HANDAYANI, W.R., 1997, Unjuk Kerja Reaktor Alr Tangk Berpengaduk, Forum Teknk Jld 1, Nomor. 5. RIDWAN, M., dkk., 1978, Pengatar Ilmu Pengetahuan dan Teknolog Nuklr, Badan Tenaga Atom Nasonal, Jakarta. 6. INDROJONO dan SYALFANI, Aplkas Isotop dan Radas pada Dstrbus Mnyak, Badan Tenaga Atom Nasonal, Jakarta. 7. BABA, S., et al 1985, Aplcaton of radosotopo tracer to analytcal gas chromatography B: Bomedcal Scence and Aplcatons, Volume 341, pp FUMAN, Z.S.L., 004, Radosotope tracer nvestgaton and modelng of copper concentrate dewaterng process, Internatonal Journal of Mneral Processng, Volume 73, Issue 1, January 004, pages FOGLER, S, 199, Element of Chemcal Reacton Engneerng, 3 ed., John Wley and Sons, New York. 10. WANDOWO, Aplkas Isotop dalam Industr dan Hdrolog, Badan Tenaga Atom Nasonal, Jakarta. 11. SEDIAWAN, W.B., dan PRASETYO, A., 1997, Pemodelan Matemats dan Penyelesaan Numers dalam Teknk Kma dengan Pemrograman Bahasa Basc dan Fortran, Penerbt And, Yogyakarta. 59

12 JFN, Vol 3 No. 1, Me 009 ISSN