18 BAB III
RANCANG BANGUN REAKTOR SPRAY DRYING DAN SPRAY PYROLYSIS
3.1 Pemilihan Sistem
Pada umumnya sistem Spray Drying/Spray Pyrolysis untuk memproduksi partikel ukuran mikro mengunakan sistem atomizer ukuran milimeter dan dibutuhkan tekanan yang sangat kuat untuk mendorong larutan keluar dari spray/nodzel. Sedangkan untuk menghasilkan partikel nanostruktur dibutuhkan sistem baru dalam produksi droplet dengan ukuran mikrometer, salah satu alat yang mampu menghasilkan droplet dengan ukuran mikrometer adalah Ultrasonic Nebulizer kelebihan dari alat ini adalah kemampuan membangkitkan droplet dengan ukuran sekitar mikrometer dengan prinsip menggetarkan larutan dalam frekuensi ultrasonic selain itu perangkat itu mengunakan membran tipis untuk membatasi larutan dan piezoelektrik. Dengan karakteristik nebulizer ini rancangan reaktor Spray Drying dan Spray Pyrolysis yang akan dibangun adalah reaktor bertekanan rendah. Dengan mengunakan reaktor bertekanan rendah dapat memberikan keuntungan lebih dalam pabrikasi partikel nanostruktur dibandingkan dengan reaktor konvensional, dengan ukuran droplet yang lebih kecil menjadikan proses penguapan air dari droplet lebih cepat sehingga dapat mempercepat proses produksi partikel nanostrukur selain itu ukuran droplet yang lebih kecil menjadikan temperatur penguapan lebih yang rendah dan lebih stabil.
3.2 Sistem Reaktor Spray Drying dan Spray Pyrolysis
Skema reaktor yang dibangun sama seperti penjelasan sebelumnya dimana ada 4 sistem utama dari reaktor Spray Drying dan Spray Pyrolysis yaitu terdiri dari sistem aliran fluida, sistem spray, sistem pemanas dan sistem filter. Pengaturan penempatan/posisi reaktor spray dibuat secara vertikal, dikarenakan mempertimbangkan aliran droplet dan aliran hasil penguapan air dari droplet yang
19
diharapkan stabil dan tidak terjadi turbulensi. Selain itu pemasangan sistem secara vertikal membutuhkan area yang lebih sedikit.
Gambar 6. Skema perlengkapan Spray Drying dan Spray Pyrolysis 3.2.1 Sistem Aliran Fluida Spray Drying dan Spray Pyrolysis
Dengan mengunakan metoda Spray Drying bertekanan rendah memungkinkan mengunakan sistem fluida yang sederhana terdiri dari pompa, filter, keran dan flow meter. Jenis pompa yang digunakan ada 2 jenis pompa pertama pompa untuk gas inlet (N2) dan kedua adalah pompa untuk udara biasa. Pemakaian pompa ini
didasarkan pada kebutuhan proses Spray Drying dimana ada beberapa material yang diharapkan tidak bereaksi dengan gas oksigen atau gas lainnya. Sistem ini akan mengontrol kecepatan gas dan droplet didalam reaktor sehingga dicapai proses produksi yang hasil partikel nanometer terbaik dan waktu produksi yang terkontrol.
20
Kontrol dari sistem aliran fluida terletak pada keran dan flow meter, dengan mengatur keluaran aliran gas diharapkan parameter tersebut tercapai. Cara kerja sistem ini adalah pertama pompa akan mendapat masukan gas berupa gas biasa atau gas N2 yang dialirkan kedalam fillter untuk menghindarkan ada partikel lain yang terbawa (semisal debu) yang kemudian oleh keran dikontrol besaran kecepatan aliran udara yang diinginkan.
Tabel Spesifikasi Perlengkapan Sistem Kontrol Aliran Fluida
Jenis Perlengkapan Spesifikasi
Pompa dan Filter Pompa udara biasa
Atman® SPA-602 AQUARIUM AIR PUMP
AC 220-240/50Hz 3.8W SENTRAL REG NO:558716
Tekanan berada disekitar 0.1 Mpa
Ada 2 kecepatan aliran pertama Lo (Maks 1.9 l/min) dan Hi (Maks 2.6 l/min)
Keran dan Flow Meter KOFLOC MODEL RK-1650
070908-160 0.1 Mpa MADE IN JAPAN
Kecepatan 0.5 l/min – 5 l/min pada temperatur 20 oC Selang Selang yang dipakai ada 2 jenis
• Selang tahan panas (tahan pada temp ~ 250 oC)
• Selang plastik (ukuran 0.75 cm dan 1.6 cm) 3.2.2 Sistem Kontrol Atomizer
Dalam pabrikasi partikel nanostruktur dibutuhkan ukuran atomizer dalam skala mikrometer, spesifikasi yang dapat memenuhi persyaratan diatas adalah Ultrasonic Nebulizer. Tipe CORONA® GL-889 mengunakan sistem piezoelektrik untuk membangkitkan frekuensi gelombang ultrasonic sebesar 0.8 – 1.7 MHz dan menghasilkan ukuran droplet rata-rata sebesar 4.5 . Spesifikasi nebulizer terdiri dari piezoelektrik, tabung pendingin, tabung larutan dan pompa pendorong.
21
Membutuhkan input sebesar 220 – 240 V/50W, dengan Volume Nebulizing 3 ml/min.
Proses drying membutuhkan waktu sekitar 30 – 60 menit untuk memproduksi droplet dari larutan sebanyak 100 ml. Karena waktu produksi yang cukup lama mengakibatkan terjadi peningkatan temperatur piezoelektrik (>50 oC) untuk menghindarkan kerusakan piezoelektrik karena kehilangan air pendingin diperlukan aliran pendingin air dari luar sehingga diharapkan suhu piezoelektrik tetap berada pada suhu ruang. Selain itu untuk menghindarkan terjadinya kondensasi droplet dalam selang menuju reaktor, penyaluran droplet dari Ultrasonic Nebulizer kedalam tabung reaktor membutuhkan ukuran pipa dengan diameter yang cukup sebesar (sekitar~1.6 cm).
3.2.3 Sistem Kontrol Pemanasan Reaktor
Proses pembentukan partikel dalam metoda Spray Drying partikel nanostruktur membutuhkan temperatur pemanasan yang stabil hal ini dikarenakan adanya proses hidrodinamik dan kestabilan bentuk droplet dalam pemanasan. Sehingga dipilih sistem reaktor pemanasan yang bertingkat dengan beberapa pemanas (furnace) yang terkontrol. Pemanasan bertingkat dalam metoda Spray Drying memberikan keuntungan lebih dalam pembentukan partikel dibandingkan dengan proses pemanasan satu tingkat karena pada proses pemanasan awal dengan temperatur rendah (± 150 oC) ditujukan penguapan air dari larutan dan pada tingkat berikutnya dengan pemanasan pada temperatur tinggi berpengaruh terhadap proses aglomerasi pada tingkatan partikel nanostruktur. Reaktor Pemanas yang dibangun terdiri dari 3 tingkat pemanas, pemanas pertama berfungsi untuk menguapkan air dari droplet, pemanas kedua berfungsi dalam proses penguapan yang lebih sempurna dan mengontrol terjadinya aglomerasi antar partikel nanostruktur sedangkan pemanas ketiga berfungsi untuk mempertahankan sifat partikel nanostruktur yang terbentuk dan mengatur uap air agar tidak terjadi kondensasi.
22
Gambar 7. pemanasan bertingkat
Reaktor Spray Drying dengan pemanas bertingkat terdiri dari beberapa komponen yaitu pemanas dan kontrol temperatur.Pemanas yang digunakan adalah home made (bengkel fisika) dengan spesifikasi pemanas temperatur tinggi dengan daerah pemakaian pada temperatur 27 – 700oC, pemanas temperatur rendah dengan daerah pemakaian pada temperatur 27 – 375oC dengan input yang dibutuhkan 220 – 240 Volt/50Hz, 5 A. Dibangun dengan dimensi diameter total 9 cm, diameter heater 5cm, tebal sielding 2 cm dan tinggi untuk pemanas 1 dan 3 adalah 25 cm dan pada pemanas 2 memiliki tinggi 50 cm pemilihan panjang dilakukan agar temperratur dapat dikontrol dengan baik.
Pemanas terdiri dari 3 elemen penting pertama adalah elemen pemanas terdiri dari lilitan kawat dengan hambatan tinggi yang mampu tahan pada suhu tinggi yang dililitkan pada tabung steanlish stell dengan diameter berukuran 5cm. Elemen kedua adalah busa tahan panas dengan ketebalan 2 cm berfungsi menahan panas agar tidak keluar dari tabung pemanas sehingga suhu pemanasan dapat dikontrol dengan baik. Bagian terakhir adalah pembungkus berbahan alumunium berdiameter berukuran 9cm. Pemilihan tinggi pemanas dikarenakan 2 faktor yang pertama adalah kemampuan heater ditentukan oleh jumlah lilitan pilamen pemanas sehingga untuk spesifikasi temperatur tinggi dibutuhkan pemanas dengan dimensi yang lebih panjang/tinggi. Tetapi dengan dimensi yang lebih panjang menjadikan memberikan keuntungan karena pemanasan berlangsung pada temperatur pemanasan konstan sehingga diharapkan terbentuk partikel nanostruktur yang teraglomerasi dengan baik. Tabung reaktor terbuat dari bahan quartz dengan dimensi panjang 100 cm, diameter 1,6 cm dan tebal 1 mm. Untuk
23
mengontrol temperatur digunakan OMRON ® tipe E5CN-RT dan mengunakan thermocouple tipe K.
Gambar 8. Spesifikasi Reaktor Pemanas
Gambar 9. a). Tabung Reaktor terbuat dari quartz b). Kontrol Temperatur tipe OMRON ® tipe E5CN-RT
24
Tabel Spesifikasi Perlengkapan Sistem Kontrol Reaktor Pemanas
Jenis peralatan Spesifikasi
OMRON ® E5CN-RT Indikasi Akurasi
• Input Thermocouple: ±0.3% of PV • Input Pt : ±0.2% of PV • Input Analog: ±0.2% FS Input : 100 to 240 VAC, 50/60 Hz Thermocouple Tipe K Daerah kerja : -199.9 – 1200 oC 3.2.4 Sistem Filter
Gambar 10. Penyaring partikel nanostruktur
Sistem filter yang digunakan terbuat dari saringan udara biasa dan dan ditambah substrat kaca, penambahan ini diharapkan agar terjadi penumpukan partikel nanostruktur pada kaca sehingga dapat mempermudah dalam pengambilan sampel. untuk mencegah terjadinya kondensasi aliran uap air pada Filter, tempertur filter diatur selalu diatas suhu kondensasi (>100 oC).
