Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 Perpindahan Panas Pada Bubble Column
Alat penukar kalor merupakan suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung. Maksudnya ialah : a) Alat Alat penuk penukar ar kalor kalor konta kontak k langs langsung ung Pada Pada alat alat ini fluid fluidaa yang yang pana panass akan akan bercampur bercampur secara secara langsung langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan. Misalnya ejector, daerator dan lain-lain.
b) Alat Alat
penuk penukar ar kalor kalor konta kontak k tak tak langs langsung ung Pada Pada alat alat ini fluid fluidaa pana panass tidak tidak
berhubungan berhubungan langsung langsung (indirect (indirect contact) contact) dengan fluida dingin. Jadi proses proses perpindahan perpindahan panasnya itu mempunyai mempunyai media perantara, perantara, seperti seperti pipa, plat, atau peralatan peralatan jenis lainnya. Misalnya Misalnya kondensor, kondensor, ekonomise ekonomiserr air preheater preheater dan dan lain-lain. lain-lain. Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari satu tempat tempat ke tempat tempat lainnya lainnya sebaga sebagaii akibat akibat dari perbed perbedaan aan temper temperatur atur antara antara tempat tempat-tempat tersebut. Pada umumnya perpindahan panas dapat berlangsung melalui 3 cara yaitu secara konduksi, konveksi, radiasi. Konduksi adalah perpindahan energi thermal dari daerah dengan temperatur lebih lebih tinggi tinggi ke daerah daerah dengan dengan temper temperatur atur yang lebih lebih rendah, rendah, yang terjadi terjadi akibat akibat interaksi molekuler terhadap medium atau perpindahan panas yang terjadi akibat agitasi molekuler terhadap material tanpa adanya pergerakan dari material itu sendiri. Transfer energi tersebut pada umumnya terjadi akibat elastic impact pada fluida atau dapat disebabkan oleh free electron diffusion pada metal atau phonon vibrat vibration ion pada insulators. insulators. Dengan kata lain, panas ditransferkan ditransferkan secara konduksi ketika atom yang berdekatan bergerak berlawanan dengan atom lainnya atau elektron berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Kemungkinan terjadinya konduksi pada padatan/solid lebih lebih besar, besar, dimana dimana letak letak atom-at atom-atomny omnyaa lebih lebih rapat rapat dan konstan. konstan. Sedangk Sedangkan an pada pada liquid liquid (kecual (kecualii liquid liquid metals) metals) dan gas, gas, molekul molekulnya nya memili memiliki ki jarak jarak yang berjauh berjauhan, an, sehingga lebih kecil kemungkinan terjadinya perpindahan energi thermal. Faktor-faktor yang menyebabkan keberhasilan proses perpindahan panas secara konduksi adalah:
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 1. Terjadinya perpindahan energi kinetik/gerak atau dapat berupa elektron-elektron bebas. Pergerakan energi kinetik ini didasarkan atas perbedaan suhu yang terjadi, perpindahannya terjadi dari temperatur yang lebih tinggi menuju ke medium dengan temperatur yang lebih rendah. 2. Terjadinya perbedaan temperatur Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas
akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih
rendah. 3. Konduktivitas termal suatu bahan Konduktivitas termal suatu bahan merupakan fungsi dari temperatur. Sehingga semakin besar konduktivitas termalnya, maka semakin baik pula bahan tersebut dalam menghantarkan panas dan semakin besar laju perpindahan panasnya. 4. Kerapatan massa Untuk meningkatkan proses perpindahan panas maka perlu juga meningkatkan kerapatan massanya, karena energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energi mekanik dapat lebih besar dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan. Apabila kerapatan suatu bahan sangat besar, maka jarak antar partikel sangat dekat. Hal ini sangat memudahkan perpindahan energi termal/kinetik ataupun elektron bebas antar partikel. 5. Luas penampang Semakin besar luas penampang yang digunakan dalam tranfer panas ini, maka semakin besar pula kalor yang dibutuhkan, hal ini berarti akan semakin besar energi yang diperlukan. Lain halnya apabila luas penampang yang digunakan kecil, maka laju perpindahan panas lebih cepat.
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 Bubble tower dapat didefinisikan sebagai suatu alat atau peralatan yang dapat menampung gas atau cairan atau fluida hasil absorpsi gas dalam liquid yang berbentuk bubble atau gelembung-gelembung. Sebuah reaktor kolom gelembung adalah alat yang digunakan untuk reaksi gas-cair yang pertama kali diterapkan oleh Helmut Gerstenberg. Ini terdiri dari kolom silinder yang diatur vertikal. Pemasukkan gas terjadi di bagian bawah kolom dan menyebabkan aliran turbulen untuk memungkinkan pertukaran gas yang optimal. Bubble column dibangun dalam berbagai bentuk konstruksi. Pencampuran dilakukan oleh Sparging gas dan membutuhkan energi yang lebih kecil daripada pengadukan mekanis. Cairan tersebut bisa dalam aliran paralel atau counter-current. Reaktor kolom gelembung yang ditandai dengan kandungan cairan yang tinggi dan permukaan fase moderat batas. Kolom gelembung ini sangat berguna dalam reaksi dimana reaksi gas-cair lambat dalam kaitannya dengan tingkat penyerapan. Ini adalah kasus untuk gas-cair reaksi dengan bilangan Hatta Ha <0,3. Reaktor kolom gelembung digunakan dalam berbagai jenis reaksi kimia seperti oksidasi basah, atau sebagai bioreaktor alga. Karena komputerisasi desain kolom gelembung terbatas pada proses parsial, pengalaman dalam pemilihan jenis kolom tertentu masih berperan penting. Bubble tower terdiri atas bubble column yang merupakan tempat kontraktor dimana gas didispersikan ke dalam fase cairan atau liquid. Sehingga bubble tower merupakan suatu alat yang mengambil bagian penting dalam proses absorpsi gas dalam liquid yang dilakukan. Secara umum proses absorpsi dilakukan menggunakan kontaktor gas-cair. Perpindahan massa kontaktor gas-cair diperoleh dengan kontak langsung dan dispersi satu fasa ke fasa yang lainnya. Kontaktor yang digunakan dalam industri diklasifikasikan ke dalam tiga kategori tergantung pada fasa terdispersinya, yaitu seperti disebutkan berikut ini :
1. Kontaktor dimana cairan mengalir sebagai film tipis (contoh: packed column, disc contactors, dll).
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004
2. Kontaktor
dimana gas didispersikan ke dalam fasa cairan (contoh: plate
column, bubble column, mechanically agitated contactors, dll).
3. Kontaktor
dimana cairan didispersikan ke dalam fasa gas (contoh: spray
column, venturi scrubbers, dll). Sebuah reaktor kolom gelembung yang terdiri dari :
1)
Setidaknya satu perangkat penyebaran untuk menyebarkan setidaknya
oksigen ke dalam fasa cair, disebutkan perangkat penyebaran memiliki dinding berpori, dan port ulir luar, luas permukaan menyebabkan penyebaran perangkat menjadi 1,6 kali lebih besar dari luas penampang dari bubble column dan mengatakan perangkat penyebaran yang secara vertikal dipasang di kolom gelembung, mengatakan dinding berpori memiliki pori-pori yang terbentuk di dalamnya untuk memberikan perangkat pendispersi oksigen yang permeable. kolom gelembung memiliki Rasio tinggi terhadap diameter lebih besar dari 10;
2)
piring mounting untuk memungkinkan penyebaran mengatakan perangkat
yang akan dipasang secara vertikal atasnya, mounting plate memiliki port inlet gas yang terhubung ke port yang berulir luar dari perangkat penyebaran, dan 3)
A head plate 8 digunakan untuk menutupi kolom gelembung 4 dan memiliki
port 9 untuk pengambilan sampel, gas buang dan sensor. Reaktor kolom gelembung menurut penemuan ini memberikan keuntungan karena dapat menghasilkan gelembung ukuran kecil, sehingga meningkatkan waktu tinggal fasa gas bahkan di bawah kecepatan gas yang relatif tinggi dan juga viskositas yang relatif tinggi reaktan cair, dengan demikian meningkatkan kinerja perpindahan massa reaktor. Namun, reaktor gelembung konvensional kolom memiliki kelemahan, bahwa kinerja reaktor menurun tajam dengan kecepatan gas meningkat karena pembentukan gelembung gas yang besar. Selain itu, ketika viskositas fase cair dalam reaktor relatif tinggi, peningkatan ukuran gelembung menyebabkan penurunan yang signifikan di daerah permukaan antara fasa gas dan fasa cair, sehingga menghasilkan tingkat transfer
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 massa menurun. Oleh karena itu, telah diperlukan untuk mengembangkan suatu kolom gelembung peningkatan kinerja di mana kerugian atas dapat diatasi. Kolom gelembung yang banyak digunakan dalam industri proses kimia dan bioteknologi. Alasan penting untuk penggunaan yang luas ini adalah konstruksi sederhana, tanpa bagian yang bergerak, dan efisiensi energi yang tinggi untuk transfer massa. Hal ini tidak mengherankan jika banyak penelitian mengenai hal ini telah diterbitkan, namun pemilihan bahan untuk penggunaan yang praktis masih agak sulit. Untuk mengatasi masalah ini, dalam tinjauan ini, upaya yang dilakukan untuk mengekstrak formula dan pedoman sesederhana mungkin berdasarkan bahan yang tersedia saat ini. Titik awalnya adalah mekanisme yang terjadi dalam kolom gelembung, yaitu pembentukan gelembung, gelembung naik dan pola sirkulasi yang dihasilkan. Setelah fenomena ini dipahami, transfer pencampuran dan panas dan massa yang jauh lebih mudah untuk menangani. Pembentukan gelembung sebagian besar tergantung pada jenis sparger, yang dapat dibagi menjadi tiga kelompok: lubang tunggal, cakram berpori dan dua fase injectors. Diameter gelembung asli bersama dengan kecepatan superfisial dan sifat cair menentukan diameter gelembung, perampokan dan pola sirkulasi di kolom gelembung. Gas perampokan, gelembung diameter kontrol KLA dan pola sirkulasi menentukan perpindahan pencampuran dan panas. Hubungan sederhana berasal untuk sistem model. Dengan menggunakan pendekatan mekanistik, pedoman diberikan untuk cairan yang lebih kompleks. Kolom gelembung yang intensif digunakan sebagai kontaktor multifase dan reaktor kimia, biokimia dan industri petrokimia. Mereka menyediakan beberapa keuntungan selama operasi dan pemeliharaan seperti panas tinggi dan laju perpindahan massa, dan biaya operasi dan pemeliharaan yang rendah. Reaktor kolom gelembung tiga fasa secara luas digunakan dalam reaksi keteknikan, yaitu dengan adanya katalis dan dalam aplikasi biokimia di mana mikroorganisme yang digunakan sebagai suspensi padat dalam rangka untuk memproduksi Bioproducts industri. Investigasi parameter desain mencirikan operasi
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 dan fenomena perpindahan dari kolom gelembung telah menyebabkan pemahaman yang lebih baik dari sifat hidrodinamika, panas dan mekanisme perpindahan massa dan karakteristik rezim aliran yang sedang berlangsung selama operasi.
1)
Koefisien Perpindahan Panas
Kontrol termal dalam kolom gelembung sangat penting karena dalam kimia dan proses biokimia, reaksi kimia biasanya disertai dengan pasokan panas (endoterm) atau penghapusan (eksoterm) operasi. Oleh karena itu, perpindahan panas turbulen dari dinding reaktor dan koil dimasukkan ke cairan telah menjadi topik dari banyak penelitian dalam literatur. Kolom gelembung telah diadopsi secara luas dalam produksi industri dan operasi karena tingkat perpindahan panas tinggi. Perpindahan panas dalam tingkat gas-cair kolom gelembung dilaporkan secara umum 100 kali lebih besar dari pada aliran satu fasa. Banyak studi hidrodinamika menyelidiki perpindahan panas antara tujuan pemanasan dan aliran sistem untuk memahami dampak dari struktur hidrodinamik pada transfer panas untuk meningkatkan desain dan pengoperasian reaktor kolom gelembung. Literatur penelitian melaporkan pada pengukuran perpindahan panas dalam dua dan tiga fase sistem dapat dibagi menjadi: a. estimasi koefisien perpindahan panas dari bed ke dinding b. estimasi koefisien perpindahan panas objek terbenam ke bed. Perpindahan panas bed ke dinding diselidiki secara rinci oleh Kato et al. Penyelidikan perpindahan panas dari objek terbenam-ke-bed telah dilaporkan oleh sejumlah peneliti. Sebagian besar penelitian sebelumnya tentang perpindahan panas dalam kolom gelembung pada steady state waktu perpindahan panas rata-rata dari objek terbenam ke bed dan bed ke dinding. Chen et al. melaporkan bahwa penggunaan koefisien perpindahan panas rata-rata menyebabkan hilangnya informasi yang berkaitan dengan efek dari dinamika gelembung seketika dalam perpindahan panas. Kumar et al., Li dan Prakash dan Cho et al. adalah beberapa studi terbaru berdasarkan pengukuran koefisien perpindahan panas lokal seketika. Kawase and Moo-Young
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 mengembangkan theoretical model, yang bisa digunakan pada kedua kasus Newton dan non-Newtonian. Model mereka didasarkan pada peningkatan perpindahan panas bergolak dalam reaktor kolom gelembung di mana perpindahan panas karena shearthinning media telah diselidiki. Pengukuran koefisien perpindahan panas pada umumnya membutuhkan sumber panas dan pengukuran suhu permukaan dan bed. Untuk memperkirakan perpindahan panas lokal seketika koefisien h (W/m2) untuk sistem objek-bed panas misalnya, perbedaan suhu antara permukaan probe dan bulk, DT dan transfer fluks panas yang sesuai, Q (W/m2) harus diukur. Hubungan berikut dapat diterapkan: h ¼ Q DT Banyak literatur korelasi ada untuk estimasi koefisien perpindahan panas yang dapat diterapkan untuk kolom gelembung dua fase dan kolom gelembung slurry tiga fase. Parameter dasar yang mempengaruhi perpindahan panas terutama kecepatan gas, ukuran partikel dan konsentrasi, viskositas cairan, kepadatan partikel, aksial / lokasi radial probe perpindahan panas dan dimensi kolom.
2)
Superfisial Kecepatan Gas
Pengaruh kecepatan gas pada koefisien perpindahan panas dalam dua dan tiga fase sistem telah banyak diselidiki. Umumnya, itu menunjukkan bahwa pengenalan gas di dalam cairan atau cairan-padat ke bed meningkatkan turbulensi di themediumand demikian meningkatkan koefisien perpindahan panas tersebut. Selain itu, kecepatan gas yang lebih tinggi hanya meningkatkan transfer panas lebih banyak. Oleh karena itu, meskipun sifat sistem, kondisi operasi dan pengukuran teknisQues berbeda, banyak penelitian melaporkan bahwa peningkatan koefisien perpindahan panas dengan peningkatan kecepatan superfisial gas N. Kantarci et al. Proses Biokimia terlepas dari sifat fasa padat (diameter, bentuk, dan konsentrasi) atau sifat fasa cair (densitas, viskositas, dll). Studi juga menunjukkan bahwa tingkat kenaikan koefisien perpindahan panas dengan kecepatan gas lebih jelas pada kecepatan gas rendah, dan lebih bertahap pada kecepatan gas yang lebih tinggi. Pengaruh sifat fasa cair dalam
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 perpindahan panas, terutama dampak dari viskositas cairan telah dilaporkan dalam beberapa penelitian. Koefisien perpindahan panas ditemukan menurun dengan viskositas cairan meningkat dalam tiga fase sistem fluidized terlepas dari ukuran partikel. Ini sebenarnya disebabkan oleh turbulensi yang lebih rendah dicapai dalam media kental. Pengaruh ukuran partikel dan konsentrasi terhadap koefisien perpindahan panas telah diteliti oleh banyak peneliti baik pada tiga fase kolom gelembung dan fluidized bed. Dalam tiga fase fluidized bed, koefisien perpindahan panas meningkat dengan ukuran partikel pada kecepatan gas rendah (<5 cm / s). Pada kecepatan gas yang lebih tinggi, ia melewati nilai minimum pada ukuran partikel sekitar 1,5 mm. Secara umum, pengaruh ukuran partikel pada koefisien perpindahan panas itu diabaikan pada ukuran partikel lebih besar dari 3,0 mm, terutama pada kecepatan gas yang tinggi. Beberapa penelitian melaporkan bahwa koefisien perpindahan panas meningkat dengan meningkatkan konsentrasi slurry. Alasan yang diberikan untuk itu adalah perubahan termo-sifat fisik dari slurry dengan pengenalan padat dan juga meningkatkan nilai tukar elemen fluida pada permukaan probe yang dipanaskan karena gerakan partikel padat. Selain itu, perubahan sifat gelembung dengan tambahan padatan juga perlu diperhitungkan. Penambahan zat padat dan meningkatkan konsentrasi padatan meningkatkan koalesensi gelembung yang mengarah pada pembentukan gelembung ukuran yang lebih besar dengan kecepatan kenaikan tinggi. Sebagai fakta, penambahan padatan menyebabkan ukuran gelembung yang lebih besar dengan kecepatan induksi dan dengan demikian tingkat perpindahan panas yang lebih tinggi kemungkinan besar akan diperoleh. Di sisi lain, Li dan Prakash melaporkan kecenderungan yang berlawanan dengan Deckwer et al. Mereka melaporkan bahwa meningkatkan konsentrasi padatan akan menurunkan koefisien perpindahan panas. Hal ini dijelaskan oleh promosi viskositas medium dengan peningkatan konsentrasi padatan yang pada gilirannya mengakibatkan penurunan turbulensi dalam sistem.
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004
3)
Kolom dimensi dan kondisi operasi
Pengaruh diameter kolom dalam perpindahan panas diselidiki secara rinci oleh Saxena et al. Para penulis melaporkan bahwa koefisien perpindahan panas yang diukur dalam bubble column slurry dengan diameter yang lebih besar (30,5 cm) akan selalu bernilai lebih besar daripada kolom dengan diameter yang lebih kecil (10,8 cm). Mereka menganggap dengan hasil ini bahwa tingkat pencampuran yang lebih tinggi akan dicapai pada kolom diameter yang lebih besar. Saxena et al. juga melakukan eksperimen untuk mempelajari pengaruh temperatur bed terhadap koefisien perpindahan panas. Dilaporkan bahwa dengan meningkatnya suhu koefisien perpindahan panas juga meningkat. Chen et al. meneliti efek dari tekanan operasi pada karakteristik perpindahan panas. Para penulis mengamati bahwa koefisien perpindahan panas meningkat dengan meningkatnya tekanan. Meringkas penyelidikan yang dibicarakan sejauh ini dalam perpindahan panas secara umum dapat disimpulkan bahwa koefisien perpindahan panas meningkat dengan meningkatnya suhu, kecepatan gas dangkal, dan ukuran partikel, bukan dengan penurunan fungsi viskositas cairan dan kerapatan partikel. Ada dua kesimpulan yang berlawanan untuk pengaruh konsentrasi solid pada koefisien perpindahan panas. Beberapa penelitian melaporkan dengan meningkatkan konsentrasi padatan maka akan dapat meningkatkan nilai koefisien perpindahan panas, sementara beberapa laporan sebaliknya. Peningkatan koefisien perpindahan panas dengan konsentrasi padatan meningkat telah dikaitkan dengan peningkatan yang sesuai dari viskositas slurry yang menghasilkan ukuran gelembung yang lebih besar dan gelembung besar akan mencapai kecepatan lebih tinggi sehingga terjadi kenaikan tingkat panas yang ditransfer. Di sisi lain, hasil sebaliknya yang diperoleh Li dan Prakash, dijelaskan oleh fakta bahwa turbulensi berkurang dengan peningkatan viskositas dari sistem. Bahkan viskositas sistem dengan penambahan butiran inert-seperti padatan tidak akan berubah secara signifikan terutama pada konsentrasi rendah namun pasti dapat dikatakan bahwa kehadiran padatan hanya menghilangkan panas dari permukaan objek yang dipanaskan dan dengan cara tertentu meningkatkan turbulensi dalam sistem. Profil aksial
Tugas Khusus Trisna Zahara 03091003004 pengukuran perpindahan panas menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas di wilayah massal lebih tinggi daripada di wilayah distributor. Koefisien perpindahan panas di tengah kolom lebih besar dari dinding dekat karena fakta bahwa gelembung besar mengumpul di pusat dan mereka lebih efektif dalam meningkatkan perpindahan panas dalam sistem. Posisi probe perpindahan panas dalam kolom juga dilaporkan untuk mengubah nilai-nilai koefisien perpindahan panas. Dengan demikian, beberapa penelitian dilakukan dengan menempatkan probe perpindahan panas di lokasi aksial / radial berbagai kolom dan menentukan nilai-nilai yang sesuai dari koefisien perpindahan panas di lokasi tersebut. Bahkan, panas aksial perbedaan pengukuran transfer dalam batang kolom dari jarak pengukuran untuk distributor gas dan perbedaan radial dari populasi gelembung. Saxena et al. dibandingkan koefisien perpindahan panas di dua lokasi aksial berbeda. Probe berada di 2,9 dan 0,52 m dari distributor. Hasilnya menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas pada 2,9 m yang sistematis lebih tinggi dari pada m 0,52. Hal ini disebabkan pengaruh wilayah distributor. Ketinggian 0,52 m dari bawah kurang dari dua kali diameter kolom (0,305 m) sesuai untuk wilayah berkembang untuk pertumbuhan gelembung dan pola aliran fasa cair. Pengaruh wilayah distributor dilaporkan biasanya untuk memperpanjang hingga tiga atau empat kali diameter kolom.
