ANALISA PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA PADA CONTINUOUS STIRED TANK REACTOR (CSTR)
Dhea Alvira (NIM. 03031282126053)
Reaktor adalah alat yang berperan dalam terjadinya suatu reaksi kimia ataupun nuklir yang membuat suatu bahan berubah ke bentuk lainnya. Secara umum, reaktor dibagi menjadi dua jenis, yaitu reaktor nuklir dan reaktor kimia. Salah satu reaktor yang umum digunakan dalam industri adalah reaktor berpengaduk atau Continuous stired tank reactor (CSTR). Reaktor berpengaduk memiliki bagian utama yaitu tangki dan pengaduk. Selain itu, terdapat bagian reaktor lainnya seperti baffle yang mempengaruhi pola aliran, jacket yang berfungsi sebagai pengendali suhu, kumparan kalor, penempatan termometer, serta posisi input-output untuk proses yang kontinu.
Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) memiliki sejumlah keuntungan yang membuatnya populer dalam berbagai aplikasi industri. Biaya pembangunan yang relatif murah menjadikannya pilihan yang ekonomis untuk banyak pabrik. Selain itu, perawatannya yang mudah mengurangi downtime dan biaya operasional. CSTR juga mudah beradaptasi dengan kontrol otomatis, memungkinkan pengawasan dan penyesuaian proses yang efisien. Kemampuan untuk dikontrol pada setiap tingkat kerugian menambah fleksibilitas dan keandalan dalam menjalankan reaksi kimia secara terus-menerus. Namun, CSTR juga memiliki beberapa kelemahan yang perlu dipertimbangkan. Reaksi dalam CSTR berlangsung pada konsentrasi rendah, yang bisa mengurangi efisiensi proses untuk reaksi tertentu. Selain itu, CSTR tidak efisien untuk reaksi gas dan reaksi yang memerlukan tekanan tinggi, yang dapat membatasi penggunaannya dalam industri tertentu. Kecepatan perpindahan panasnya yang lebih rendah dibandingkan dengan reaktor aliran pipa juga menjadi tantangan, terutama dalam reaksi yang sangat endotermik atau eksotermik.
CSTR juga berfungsi sebagai penukar panas (heat exchanger) di mana cairan dalam tangki dipanaskan oleh aliran panas dalam jacket yang mengelilingi tangki.
Cairan di dalamnya diaduk terus menerus untuk mempercepat perpindahan panas (heat transfer) serta menjaga agar suhunya merata. Prinsip kerja reaktor ini melibatkan pengisian reaktan dan bahan baku secara bersamaan, kemudian dilakukan pengadukan hingga menghasilkan produk yang diinginkan. Pada reaktor ini, pengaduk dirancang sesuai dengan bahan baku yang akan diaduk, sehingga campuran teraduk dengan
sempurna dan reaksi berlangsung secara optimal. Untuk mendapatkan konversi yang tinggi, reaktor disusun secara seri dan dilengkapi dengan pemanas. Reaktor berpengaduk sebenarnya mirip dengan reaktor batch, namun dilengkapi dengan pengaduk yang membedakannya.
Perpindahan panas pada CSTR terjadi di bagian bejana reaktor dan jacket reaktor, baik secara konduksi maupun konveksi. Pemanasan fluida pada jacket reaktor merupakan contoh peristiwa perpindahan panas konveksi. Sedangkan, perpindahan panas yang terjadi di antara bejana reaktor dan jacket reaktor merupakan contoh peristiwa perpindahan panas secara konduksi. Pada bagian dalam bejana reaktor terjadi perpindahan panas secara konveksi. Perpindahan panas di dalam reaktor CSTR dipengaruhi oleh beberapa faktor yakni proses pencampuran (mixing), jenis aliran fluida, serta ukuran partikel dan luas permukaan. Proses pencampuran berfungsi untuk mendistribusikan partikel secara merata, membentuk suspensi antara padat dan cair, menghindari sedimentasi partikel, dan mempercepat proses pencampuran fluida. Jenis aliran fluida juga berpengaruh terhadap proses perpindahan panas di dalam CSTR.
Aliran yang turbulen dan laju alir bahan yang tinggi biasanya menguntungkan proses pencampuran, sementara aliran laminar dapat menghambatnya. Selain itu, semakin kecil partikel dan semakin luas permukaan kontak bahan-bahan yang dicampur, maka proses pencampuran akan semakin baik.
Perpindahan panas dalam reaktor CSTR menghasilkan fluida homogen dan meningkatkan efisiensi kerja reaktor. Hal ini disebabkan oleh proses pengadukan yang cepat dan efektif, karena adanya perpindahan panas dari pengaduk ke fluida dalam tangki. Proses pengadukan yang tidak berkelanjutan disebabkan oleh perpindahan panas antara lingkungan dan jacket, jacket dengan steam, steam dengan tangki pengaduk , serta tangki pengaduk dengan cairan. Pemilihan material konstruksi yang tepat, seperti Austenitic stainless steel, Super- Austenitic stainless steel, Duplex stainless steel, Super- Duplex stainless steel, Nickel alloys, dan Titanium, dapat meningkatkan perpindahan panas pada CSTR. Selain itu, penggunaan impeller yang sesuai dengan skala laboratorium sebelum di scale-up ke skala industri dapat meningkatkan pengadukan dan perpindahan panas. Dengan menjaga geometri yang konsisten dan meningkatkan ukuran reaktor, laju produksi panas maupun laju kehilangan panas dapat diatur, karena luas
permukaan perpindahan panas per satuan volume berkurang seiring bertambahnya ukuran reaktor.
Dalam reaktor CSTR juga terjadi peristiwa perpindahan massa yang sangat penting untuk proses reaksi kimia yang efektif. Perpindahan massa dalam CSTR berkaitan dengan distribusi reaktan dan produk dalam reaktor. Proses ini melibatkan difusi molekular dan konveksi yang dihasilkan oleh pengadukann. Difusi molekular terjadi ketika molekul-molekul bergerak dari area dengan konsentrasi tinggi ke area dengan konsentrasi rendah. Sedangkan, konveksi terjadi akibat pergerakan massa fluida yang lebih besar karena pengadukan mekanis. Pengadukan yang efektif memastikan bahwa reaktan didistribusikan secara merata dan kontak antara reaktan dipertahankan pada tingkat optimal, sehingga meningkatkan laju reaksi. Desain dan kecepatan pengadukan harus disesuaikan untuk memastikan homogenitas campuran tanpa menyebabkan kerusakan mekanis pada bahan sensitif.
Transfer massa dalam CSTR terjadi antara fasa gas-cair dan fasa cair-padat.
Pada pencampuran homogen, pengaduk dalam reaktor memastikan pencampuran homogen cairan reaksi di seluruh volume reaktor. Ini penting untuk menjaga konsentrasi zat-zat reaktan dan produk tetap seragam di seluruh reaktor, sehingga reaksi berlangsung secara efisien. Dalam beberapa reaksi, reaktan gas atau produk mungkin larut dalam cairan reaksi. Transfer massa terjadi melalui antarmuka gas-cair di mana zat-zat terlarut berdifusi ke dalam fase cair. Sedangkan, jika reaksi melibatkan partikel padat, transfer massa terjadi melalui antarmuka cair-padat di mana zat-zat dapat diserap atau dilepaskan dari permukaan partikel padat ke dalam cairan reaksi, atau sebaliknya.
Menurut penelitian yang telah dilakukan oleh Singh dan Dhaliwal (2020), yang menggunakan model Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk mempelajari distribusi suhu dan konsentrasi dalam CSTR. Hasil penelitian menunjukkan bahwa optimasi parameter operasional seperti kecepatan pengadukan dan desain jacket pendingin dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi reaktor. Selain itu, penelitian lain yang dilakukan oleh Patel dkk (2021), menunjukkan bahwa penggunaan alat bantu seperti baffle dapat meningkatkan efisiensi pengadukan dan perpindahan massa dalam reaktor.
DAFTAR PUSTAKA
Patel, A., Kumar, S., dan Verma, P. 2021. Impact of Baffle Design on Mass Transfer in Continuous Stirred-Tank Reactor: A CFD Study. Chemical Engineering Research and Design, 170, 45-58.
Singh, R., dan Dhaliwal, B. 2020. Computational Fluid Dynamics Analysis of Heat Transfer in Continuous Stirred-Tank Reactor. Journal of Chemical Engineering Science, 230, 115-126.
