KAJIAN PENCAMPURAN BALIK PADA KOLOM BERPENGADUK MULTIPERINGKAT

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411-4216 KAJIAN PENCAMPURAN BALIK PADA KOLOM BERPENGADUK MULTIPERINGKAT Zuhrina Masyithah Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik USU Jl. Almamater Kampus USU, Medan 20155 e-mail: zuhrina@yahoo.com Abstrak Kajian pencampuran balik yang dilakukan bertujuan untuk mengamati pengaruh perubahan variabel operasi terhadap tingkat pencampuran balik pada kolom berpengaduk multiperingkat. Variabel operasi yang diamati adalah kecepatan pengadukan, laju alir gas dan laju alir cairan. Fenomena pencampuran balik dipilih untuk digambarkan menggunakan model Peringkat Ideal dengan Pencampuran Balik (Ideal Stages with Backmixing model, model ISB). Tingkat pencampuran balik diperoleh dari pencocokan antara kurva respon impuls perubahan konsentrasi KCl di dalam kolom dengan kurva teoritis yang berkaitan dengan model yang dipilih. Hasil perbandingan antara kurva respon impuls dan kurva dinamika fluida teoritis menunjukkan keberhasilan penggunaan model ISB untuk menggambarkan fenomena pencampuran balik pada kolom berpengaduk multiperingkat. Hasil pengamatan pengaruh parameter operasi menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan pengadukan akan meningkatkan pencampuran balik, manakala pencampuran balik akan berkurang dengan meningkatnya laju alir gas dan cairan. Pada rentang pengamatan yang dilakukan, kondisi optimum kecepatan pengadukan adalah 15 rps, laju alir air 1 ltr/mnt dan laju alir udara 30 ltr/mnt. Kata kunci: kolom berpengaduk; pencampuran balik; variabel operasi Pendahuluan Aliran kontinu mempunyai dua jenis aliran yang utama yaitu aliran sumbat (plug flow, linear flow) dan aliran campur-balik (back-mix flow) (Levenspiel, 1999). Aliran sumbat dicirikan dengan keadaan dimana unsur-unsur fluida mengalir secara berturutan dengan tidak ada yang saling mendahului atau bercampur dengan unsur lain di hadapan atau di belakangnya. Keseragaman komposisi pada jenis ini akan berubah di sepanjang jalan aliran dengan waktu tinggal yang sama untuk seluruh unsur-unsur fluida. Sementara bagi aliran bercampur balik sepenuhnya, unsur-unsur fluida tercampur sempurna dengan komposisi yang seragam pada setiap titik. Pemilihan tipe aliran yang sesuai diantara kedua jenis ini adalah sangat penting, dimana pemilihannya bergantung kepada sistem yang telah dipertimbangkan. Dibandingkan dengan aliran campur-balik, aliran sumbat mempunyai beberapa kelebihan. Levenspiel (1999) memberikan contoh proses yang melibatkan reaksi kimia untuk menggambarkan kelebihan aliran sumbat. Dipaparkan bahwa untuk reaksi kimia orde nol, kedua jenis aliran tidak mempengaruhi volume reaktor yang digunakan. Akan tetapi untuk reaksi kimia dengan orde lebih besar daripada nol, volume reaktor jenis campur-balik selalu lebih besar dibandingkan reaktor jenis aliran sumbat. Rasio volume akan meningkat dengan meningkatnya orde dari reaksi kimia. Selain orde reaksi, volume dari kedua jenis reaktor juga bergantung kepada konversi reaksi. Pada konversi rendah, hanya sedikit terdapat perbedaan volume kedua reaktor ini, tetapi rasio volume akan meningkat dengan meningkatnya konversi reaksi. Kadar alir fluida dan metode penginjeksian umpan dapat menyebabkan aliran sumbat yang ideal sulit untuk diwujudkan. Akan tetapi kolom berpengaduk multiperingkat yang tersusun seri dapat dirancang sehingga hampir mendekati sistem aliran sumbat. Kolom berpengaduk multiperingkat (multistage agitated contactor, MSAC) mengaplikasikan ide untuk menyediakan aliran linear (Mohd Sobri Takriff dkk, 1998). Pada awalnya kolom jenis ini digunakan secara luas untuk ekstraksi cair-cair. Sistem ini kemudian banyak digunakan pada proses-proses kimia dan fisika yang memerlukan aliran linear contohnya adsorpsi, absorpsi, polimerisasi dan kristalisasi, serta reaksi kimia memerlukan waktu tinggal dan keseragaman yang tinggi. Prinsip utama dari kolom MSAC adalah untuk menyediakan sistem yang mendekati aliran sumbat untuk proses-proses kimia dan fisika yang memerlukan sifat aliran sumbat. D-9-1

Kolom MSAC dapat diterapkan pada sistem satu fasa maupun sistem multifasa. Salah satu parameter terpenting yang perlu dipahami agar berhasil merancang dan/atau mengoperasikan sistem satu fasa dan multifasa di dalam kolom MSAC adalah pemahaman tentang fenomena pencampuran balik (backmixing). Pencampuran balik didefinisikan sebagai suatu keadaan dimana sebahagian dari elemen fluida mengalir pada arah yang bertentangan dengan arah aliran utama (Mecklenburgh dan Hartland, 1975). Pada aplikasi kolom MSAC akan dijumpai pencampuran balik yang berarti, kecuali jika bukaan antara peringkat (interstage opening) dirancang untuk meminimalkan pencampuran balik. Bukaan apapun di antara peringkat akan menyebabkan pencampuran balik, dan pencampuran balik yang besar akan menjadikan kolom seperti reaktor tercampur sempurna dan bukan reaktor aliran sumbat. Oleh karena itu, tingkat pencampuran balik perlu ditentukan sebelum prestasi kolom MSAC dapat diramalkan. Sejumlah pengamatan telah dilakukan untuk mengamati pencampuran balik di dalam kolom MSAC. Akan tetapi kebanyakan hasil pengamatan dikonsentrasikan pada sistem cairan satu fasa (Haug, 1971; Mohd Sobri Takriff dkk, 1998). Sistem dua fasa (cair-gas, cair-padat) dan sistem tiga fasa (padat-cair-gas) belum mendapat banyak perhatian. Pada kenyataannya kolom MSAC sering digunakan untuk sistem dua atau tiga fasa. Kemudian, penggunaan informasi yang diperoleh dari sistem satu fasa tidak tepat untuk digunakan pada sistem dua atau tiga fasa karena efek dari fasa kedua dan ketiga terhadap pencampuran balik tidak diperhitungkan. Untuk itu tujuan dari penelitian yang dilakukan adalah menentukan tingkat pencampuran balik pada setiap perubahan variabel operasi di dalam kolom berpengaduk multiperingkat serta mengamati pengaruh parameter operasi terhadap tingkat pencampuran balik. Parameter operasi yang diamati adalah kecepatan pengaduk, kadar alir gas dan kadar alir cairan. Model Matematika Kadar pencampuran balik ditentukan menggunakan model Peringkat Ideal dengan Pencampuran Balik (model ISB). Model ini mempunyai keunggulan dibandingkan model lainnya karena kadar pencampuran balik dapat ditentukan secara langsung dari data percobaan dan juga model ini sesuai untuk digunakan pada reaktor dengan jumlah peringkat yang sedikit (Magelli dkk, 1986). Untuk aliran tanpa penggunaan reaksi kimia, keseimbangan massa untuk tiap-tiap komponen pada peringkat ke- j diberikan seperti berikut: dcj = (Ff + F b)cj dt V j 1 (Ff + Fb,j + Fb,j + 1)Cj + Fb,j + 1Cj+ 1 1) ( dimana : V j = volume kolom ke-j (cm 3 ), F f = kadar alir ke depan (cm 3 /dt), F b = kadar alir ke belakang (cm 3 /dt) dan C = konsentrasi pengesan (tracer) (mol/l). Metode Penelitian Satu unit kolom berpengaduk multiperingkat terdiri dari kolom tegak dua tingkat dengan tinggi 30,48 cm dan diameter dalam 15,24 cm. Skema kolom berpengaduk ditunjukkan pada Gambar 1. Sekat jenis bukaan lubang tengah (center holes opening) dipasang sebagai pembagi peringkat pada jarak 1 x diameter kolom. Satu lubang pengambilan sampel dipasang pada pertengahan setiap dinding peringkat. Impeler jenis turbin berdaun enam dipasang pada pertengahan tiap peringkat yang dihubungkan pada satu buah poros. Bahagian ujung atas poros dihubungkan dengan motor pengaduk. Rentang parameter yang digunakan diberikan pada Tabel 1. Tabel 1. Rentang parameter operasi dan geometri yang digunakan Variabel Dimensi Kadar alir fasa cair 0 2 liter/mnt Kadar alir fasa gas 0 40 liter/mnt Diameter sekat lubang tengah 7,62 cm Diameter impeler 7.6 cm Kecepatan impeler 0 30 rps Air digunakan mewakili bahan fasa cair dan udara sebagai bahan fasa gas. Gelang pemercik gas diletakkan pada peringkat terbawah dan digunakan untuk mendistribusikan gas secara merata ke seluruh penampang bawah kolom. Larutan KCl dengan konsentrasi 25% berat digunakan sebagai bahan pengesan (tracer). D-9-2

! $ # Fasa cair dari pompa ' ( Fasa gas ke orifice meter Sekat/pembagi peringkat bukaan lubang tengah & ) " * % Fasa gas dari kompresor Fasa cair keluar Gambar 1. Skema kolom berpengaduk multiperingkat (1) Kolom perspex, (2) Motor pengaduk dan roda gigi (3) Poros, (4)Lubang sampel, (5) Plat sekat/pembagi peringkat, (6) Impeler, (7) Gelang pemercik, (8) Gas flow meter, (9) Tachometer, (10) Rotameter Hasil dan Pembahasan Data yang diperoleh dari setiap percobaan dianalisis menggunakan kaedah keberaliran yang telah dibangun dan digunakan oleh Xu (1994). Hubungan yang sering dijumpai antara profil kurva respon impulse perubahan konsentrasi percobaan dengan profil kurva konsentrasi teoritis yang diperoleh dari model ISB pada kondisi tumpak (batch, zero flow condition) ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar ini menunjukkan bahwa model ISB dapat digunakan untuk meramalkan perilaku pencampuran pengesan di dalam reaktor aliran osilasi. Pada setiap peringkat telah terjadi pencampuran sempurna. Hal tersebut ditunjukkan oleh konsentrasi yang seragam telah dapat dicapai oleh kedua peringkat setelah suatu waktu pencampuran yang singkat. Profil ini diperoleh pada seluruh rentang parameter yang diamati. Pada umumnya ini menunjukkan bahwa aliran osilasi dengan geometri yang digunakan dapat menghasilkan pencampuran sempurna. Dari Gambar 2 yaitu pada kondisi tumpak, gradien konsentrasi pengesan pada peringkat bawah (peringkat 2) berkurang dan pada peringkat atas (peringkat 1) meningkat. Sebagian KCl yang disuntikkan pada peringkat 2 telah berpindah atau diangkut ke peringkat 1. Dengan demikian konsentrasi pengesan KCl di peringkat 2 terus berkurang sementara konsentrasi pengesan KCl di peringkat 1 semakin bertambah sehingga mencapai keadaan keseimbangan. Xu (1994) dan Mohd Sobri Takriff dkk (1998) adalah di antara peneliti yang memperoleh hasil yang sama di dalam percobaan menggunakan reaktor alir tangki berpengaduk satu fasa. Profil konsentrasi KCl terhadap waktu pada pengamatan menggunakan aliran kehadapan ditunjukkan pada Gambar 3. Profil yang terbentuk tidak lagi berbentuk simetri seperti di dalam percobaan tanpa aliran. Konsentrasi KCl di peringkat 2 semakin berkurang dengan waktu. Ini disebabkan oleh kehilangan KCl bersama aliran keluar dan juga pencampuran balik ke peringkat 1. Konsentrasi KCl di peringkat 1 pada analisis menurun karena perpindahan fluida ke peringkat 2 ikut membawa larutan KCl. Pada waktu yang sama aliran kehadapan membawa KCl keluar dari peringkat 1, sehingga profil konsentrasi pada peringkat 1 menunjukkan nilai maksimum sebelum akan menurun dengan waktu. Ralat rata-rata antara kurva teoritis dari model ISB dan kurva respons impuls dari data percobaan pada rentang pengamatan yang dilakukan adalah di bawah 5%. Hasil analisis ralat ini menunjukkan bahwa model ISB adalah cukup baik untuk digunakan meramalkan perilaku-antara pencampuran pengesan di dalam kolom. D-9-3

1 0.9 0.8 0.7 Air 0.001 kg/m.s Laju alir air 0 ltr/mnt dan udara Do 3 cm, f 0.833 Hz, xo 7.5 mm Vf 10 ltr/mnt, 0 cm/s, kec. Vb pengaduk 5.29 cm/s 30 rps Peringkat 1 Peringkat 2 Model ISB Ci/Co 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 120 Masa(s) Gambar 2. Penentuan Pencampuran Balik Antar Peringkat pada Proses Tumpak 1 0.9 0.8 0.7 Air 0.001 kg/m.s Do Laju 3 cm, alir f 0.833 air 1 Hz, ltr/mnt xo 7.5 dan mm Vf udara 1.18 cm/s, 10 Vb ltr/mnt, 4.55 cm/s kec. pengaduk 30 rps Peringkat 1 Peringkat 2 Model ISB Ci/Co 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 120 Masa(s) Gambar 3. Penentuan Pencampuran Balik Antar Peringkat pada Proses Kontinu Pengaruh kecepatan pengaduk untuk proses tumpak dan kontinu ditunjukkan pada Gambar 4. Diperoleh bahwa peningkatan kecepatan pengaduk akan meningkatkan kecepatan pencampuran balik (Vb) secara nyata. Hal ini juga didukung oleh Ingham dkk (1995) dan Xu (1994) dimana dinyatakan bahwa kenaikan volume balik pada kolom disebabkan karena adanya gaya vertikal pengadukan yang menaikkan permukaan air. Disamping itu adanya pengadukan juga akan mengganggu pola aliran di dalam kolom dimana peningkatan kecepatan pengadukan akan meningkatkan kecepatan vorteks yang terbentuk sehingga memperbesar tingkat pencampuran balik. 1.00 Vb (cm/s) 0.80 0.60 0.40 V g 10 l/min, F f : 1 l/min 1.5 l/min 2 l/min 2.5 l/min 0.20 JURUSAN TEKNIK KIMIA 0.00 FAKULTAS TEKNIK 10 15 20 25 30 35 Kecepatan pengaduk (rps) D-9-4

Gambar 4. Pengaruh kecepatan pengaduk terhadap tingkat pencampuran balik (Vb) Terdapat dua mekanisme yang memberikan kontribusi utama terhadap pencampuran balik yaitu gerak impeler dan aliran fasa gas. Gambar 5 menunjukkan pengaruh laju alir udara terhadap pencampuran balik. Daerah pada laju alir 1 hingga 1,8 cm.dt menyatakan pencampuran balik akibat gerak impeler. Ditunjukkan bahwa Vb berkurang dengan meningkatnya Vg. Penurunan Vb ini disebabkan terbentuknya vorteks pada ujung impeler pada saat laju alir udara meningkat. Vorteks yang terbentuk menangkap udara masuk ke dalamnya sehingga mengurangi daya yang diberikan impeler terhadap fasa cair. Daya yang berkurang juga menyebabkan berkurangnya pusaran yang merupakan penyebab utama pencampuran balik menurun. Gambar 6 menunjukkan hasil pengamatan pengaruh laju alir cairan (Vf) terhadap tingkat pencampuran balik. Diperoleh bahwa Vb mempunyai nilai maksimum pada kondisi tumpak dan menjadi berkurang pada peningkatan laju alir cairan. Aliran ke depan dari satu peringkat ke peringkat selanjutnya akan menghalangi cairan dalam suatu peringkat untuk bercampur balik ke peringkat sebelumnya. Pada peningkatan Vf, rintangan terhadap pencampuran balik akan meningkat sehingga akan menghasilkan tingkat pencampuran balik yang rendah. Hasil yang sama juga diperoleh oleh Magelli et al. (1986) pada pengamatan menggunakan fluida satu fasa. 1.00 F f 2.5 l/min, r : 30 rps 0.80 25 rps 20 rps Vb (cm/s) 0.60 0.40 15 rps 0.20 0.00 0 1 2 3 4 5 6 Laju alir udara, Vg (cm/s) Gambar 5. Pengaruh laju alir udara (Vg) terhadap tingkat pencampuran balik (Vb) 1.00 Vb (cm/s) 0.80 0.60 0.40 f V g 10 l/min, r : 30 rps 25 rps 20 rps 15 rps 0 rps 0.20 0.00 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 V f (cm/s) D-9-5

Gambar 6. Pengaruh laju alir air (Vf) terhadap tingkat pencampuran balik (Vb) Kesimpulan Satu model kolom berpengaduk dua peringkat dapat digunakan dengan baik untuk menyelidiki fenomena pencampuran balik. Analisis yang telah dijalankan menunjukkan bahwa model ISB adalah sesuai untuk menentukan kadar pencampuran balik pada kolom yang dirancang. Hasil pengamatan pengaruh parameter operasi menunjukkan pada rentang pengamatan yang dilakukan, kondisi optimum kecepatan pengadukan adalah 15 rps, laju alir air 1 ltr/mnt dan laju alir udara 30 ltr/mnt. Akan tetapi masih diperlukan penyelidikan lebih lanjut untuk mengamati pencampuran balik dengan sistem multifasa, mengingat industri proses kimia kebanyakan menggunakan sistem multifasa. Daftar Pustaka Haug, F.F., (1971), Backmixing in Multistage Agitated Contactors : A Correlation, AIChE Journal, 17(3), hal. 585-589. Ingham, J., Slater, M.J. dan Retamales, J., (1995), Single Phase Axial Mixing Studies in Pulsed Sieve Plate Liquid-Liquid Extraction Columns, Trans. IChemE., 72, hal. 492-496. Levespiel, O., (1999), Chemical Reaction Engineering, 3 rd edition, John Wiley, New York. Magelli.F, Fajner.D, dan Pasquali, G., (1986), Multistage Mixer Column III, Chem. Eng. Sci., 37, hal.141-145. Mecklenburgh, J.C. dan Hartland, S., (1975), The Theory of Backmixing, John Wiley, New York. Mohd Sobri Takriff, Penney, W.R. dan Fasano, J.B., (1998), Interstage Backmixing of an Aerated Multistage Mechanically-Agitated, Compartmented Column, The Canadian Journal of Chem. Eng., 76, hal. 365-369. Xu, B.C., (1994), Interstage Backmixing in Compartmented Agitated Columns: Experimental Determination and Correlation, Ph.D. Disertasi, University of Arkansas. D-9-6