BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Tujuan Praktikum

1. Menjelaskan prinsip kerja fluidisasi.

2. Menjelaskan operasi fluidisasi gas dan cairan.

3. Menjelaskan persamaan Ergun dan menyelidiki kondisi permulaan

fluidisasi.

4. Menghitung pressure drop yang melalui fixed bed dan fluidized bed.

5. Mengaplikasikan ilmu dasar teknik kimia secara tim, bekerja sama dan

profesional.

1.2 Landasan Teori

1.2.1 Fenomena Fluidisasi

Konsep dasar dari suatu partikel unggun yang terfluidisasi dapat

diilustrasikan dengan fenomena yang terjadi saat adanya perubahan laju alir gas

seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.1 Fenomena Fluidisasi dengan Variasi Laju Alir Gas

Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar

berikut ini:

Gambar 1.2 Fenomena Fluidisasi pada Sistem Gas-Padat

Fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada proses fluidisasi antara lain:

1. Fenomena fixed bed, terjadi ketika laju alir fluida kurang dari laju minimum

yang dibutuhkan untuk proses awal fluidisasi. Pada kondisi ini partikel padatan

tetap diam. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 1.3.

Gambar 1.3 Fenomena Fixed Bed

2. Fenomena minimum or incipient fluidization, terjadi ketika laju alir fluida

mencapai laju alir minimum yang dibutuhkan untuk proses fluidisasi. Pada

kondisi ini partikel-partikel padat mulai terekspansi. Kondisi ini ditunjukkan

pada gambar 1.4.

Gambar 1.4 Fenomena Minimum or Incipient Fluidization

3. Fenomena smooth or homogenously fluidization, terjadi saat kecepatan dan

distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun

sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam.

Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 1.5.

Gambar 1.5 Fenomena Smooth or Homogenously Fluidization

4. Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung–gelembung

pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen.

Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 1.6.

Gambar 1.6 Fenomena Bubbling Fluidization

5. Fenomena slugging fluidization, terjadi ketika gelembung-gelembung besar

yang mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel

padat. Pada kondisi ini terjadi penolakan sehingga partikel-partikel padat

seperti terangkat. Kondisi ini dapat dilihat pada gambar 1.7.

Gambar 1.7 Fenomena Slugging Fluidization

6. Fenomena chanelling fluidization, terjadi ketika dalam unggun partikel padatan

terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini ditunjukkan pada

gambar 1.8.

Gambar 1.8 Fenomena Chanelling Fluidization

7. Fenomena disperse fluidization, terjadi saat kecepatan alir fluida melampaui

kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan

terbawa aliran fluida dan berekspansi mencapai nilai maksimum. Kondisi ini

ditunjukkan pada gambar 1.9.

Gambar 1.9 Fenomena Disperse Fluidization

Fenomena-fenomena fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-

faktor berikut:

a. Laju alir fluida dan jenis fluida

b. Ukuran partikel dan bentuk partikel

c. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel

d. Porositas unggun

e. Distribusi aliran

f. Distribusi bentuk ukuran fluida

g. Diameter kolom

h. Tinggi unggun

Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang

akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Kebanyakan operasi di

industri menggunakan prinsip fluidisasi ini pada fluidized beds dengan berbagai

alasan tertentu. Adapun keuntungan dari fluidized beds untuk operasi industri

yaitu sebagai berikut:

1. Halus, partikel fluida mengizinkan kontrol operasi secara kontinu otomatis

dengan penanganan yang mudah.

2. Pencampuran yang cepat dari padatan pada kondisi isotermal sepanjang reaktor

3. Bisa diterapkan pada operasi skala besar.

4. Laju transfer panas dan massa antara gas dan partikel tinggi ketika

dibandingkan dengan cara lain.

5. Sirkulasi padatan antara dua fluidized bed memungkinkan memindahkan (atau

menambah) kuantitas yang besar panas yang diproduksi (atau dibutuhkan)

dalam reaktor yang besar.

Adapun kerugian dari fluidized beds untuk operasi industri yaitu sebagai

berikut:

1. Menyebabkan erosi pada pipa dan bejana dari abrasi partikel yang serius

2. Menyebabkan tumpahnya partikel-partikel dalam bejana

3. Sulit untuk menjelaskan aliran gas pada partikel untuk bubbling bed.

Pada praktikum fluidisasi ini fluida yang digunakan adalah udara tekan.

Butiran padat yang akan difluidisasikan juga dapat bervariasi seperti butiran batu

bara, batu bata, pasir, dan sebagainya. Ukuran partikel juga divariasikan dengan

melakukan pengayakan dengan mesh tertentu.

Bila kita amati suatu unggun butiran yang disangga oleh pelat kasa dan

dilalukan pada unggun tersebut suatu aliran fluida ke arah atas, maka untuk debit

aliran yang kecil unggun akan tetap diam, fluida hanya akan mengalami kenaikan

hilang tekan dengan peningkatan debit tesebut.

Untuk suatu debit tertentu hilang tekan (dinyatakan dalam tekanan, artinya

gaya per satuan permukaan) sampai pada nilai yang sama dengan berat unggun

persatuan permukaan (yang ukurannya juga sama dengan permukaan untuk hilang

tekan), dan unggun mulai terangkat. Inilah yang disebut awal fluidisasi. Di atas

kecepatan ini butiran unggun beberapa menjadi terpisah dan bergerak secara

bervariasi ke segala arah. Akan tetapi untuk kecepatan tertentu posisi rata-ratanya

secara statistik adalah tetap, dalam arti unggun mempunyai suatu tinggi yang

konstan. Tinggi unggun ini meningkat bila debit cairan meningkat.

Gambar 1.10 Skema fluidisasi

Bila peristiwa tersebut akan kita gambarkan secara grafik, kita ambil

sebagai absis kecepatan atas dasar kolom kosong Um (artinya kecepatan rata-rata

fluida dalam suatu pipa kosong dengan luas permukaan penampangnya sama

dengan penampang unggun) dan sebagai ordinat adalah hilang tekan P. Peristiwa

tersebut dapat kita nyatakan sebagai berikut:

a. Dari O ke A unggun tetap diam dan hilang tekan naik menurut debit aliran.

Bila debit aliran cukup kecil perubahan P terhadap um adalah tetap linier dan

dapat dihitung, misalnya dengan menggunakan persamaan Kozeny Carman.

b. Di A hilang tekan menjadi sedemikian sehingga gaya tekan bersangkutan

dengan awal pengangkatan unggun. Harga hilang tekan ini akan bergantung

terutama pada kondisi pencurahan unggun dan sifat partikel (keadaan

permukaan, sifat dendritik atau tidak dan seterusnya). Kita melihat kenyataan

disini bahwa gaya yang bersangkutan dengan hilang tekan pada titik ini tidak

saja untuk mengangkat berat butiran yang diakibatkan oleh penghimpitan

partikel satu dengan yang lainnya.

c. Sekali unggun ini terberai hilang tekan akan turun kembali ke harga yang lebih

kecil (titik B), lalu bila kecepatan dinaikkan lagi hilang tekan akan tetap

konstan hingga titik C dengan ketinggian unggun yang senantiasa meningkat.

Oleh karena itu, kenyataan bahwa hilang tekan tetap konstan (dan sama dengan

berat unggun persatuan luas) pada saat debit meningkat, menunjukkan bahwa

geometri intern unggun adalah berubah terutama berupa peningkatan

porositasnya yang akan berhubungan erat dengan naiknya tinggi unggun.

Setelah titik C partikel akan berbawa dalam arah aliran gas. Kurva akan

berpotongan dengan kurva hilang tekan fluida dalam tabung kosong ( = 1).

d. Bila kemudian kecepatan kita turunkan, maka tinggi unggun juga akan

menurun, akan tetapi mulai dari titik B sudah tentu kita tidak perlu lagi

mengikuti bekas keadaan A oleh karena partikel meletakkan dirinya secara

perlahan-lahan satu di atas lainnya tanpa pemadatan. Maka kita akan bergerak

dari B ke O dengan melewati D.

e. Alhasil bila kita memulai kembali suatu fluidisasi, tidak akan ada lagi upaya

yang harus dilakukan untuk mengatasi gaya gesekan antara partikel yang

terjadi karena pemadatan dan titik-titik yang menggambarkannya dinyatakan

oleh kurva ODBC naik atau turun akan tetap sama. Hilang tekan (untuk suatu

Um tertentu) dalam zone pertama (bersangkutan dengan OD) adalah lebih kecil

dari pada dalam OA, karena pemadatan unggun lebih berkurang dan tinggi

unggun Zi lebih besar.

Pernyataan tentang unggun terfluidakan di atas sebenarnya terlalu

diidealkan. Fluidisasi inilah yang biasa disebut fluidisasi homogen dimana butiran

terdispersi secara uniform dalam seluruh bagian unggun, artinya porositas lokal

unggun seolah-olah konstan pada setiap titik didalam unggun tersebut.

Gambar 1.11 Berbagai Rezim Fluidisasi

Kita mengamati bahwa fluidisasi homogen terjadi bila densitas fluida f

dan densitas partikel s sedikit saja berbeda

[ ρs

ρ f≅ 1]......................................................(1.1)

Misalnya dalam hasil fluidisasi butiran kaca dalam air. Akan tetapi kebanyakan

operasi fluidisasi dilakukan dalam fasa gas

[ ρs

ρ f≫1]....................................................(1.2)

dimana dalam hal ini fluidisasi menjadi heterogen. Bagian tertentu unggun seolah-

olah tetap diam sementara yang lainnya dilalui oleh gelembung-gelembung gas

yang besar dengan kecepatan Um dan mengandung sedikit butiran sebagai

suspensi di dalamnya, gelembung ini merambat kearah permukaan unggun

sehingga tidak memungkinkan lagi untuk mendefinisikan suatu permukaan bebas.

Inilah yang disebut peristiwa penggelembungan. Bila gelembung ini sampai

memenuhi seluruh penampang unggun ia akan dapat terangkat selama beberapa

saat, lalu volum tersebut akan jatuh kembali secara tiba-tiba ke atas lapisan paling

rendah. Inilah yang disebut fenomena fluidisasi berpiston.

Karena sifat-sifat partikel padat yang menyerupai sifat fluida cair dengan

viskositas tinggi, metoda pengontakan fluidisasi memiliki beberapa keuntungan

dan kerugian. Keuntungan proses fluidisasi, antara lain:

a. Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat

secara kontinu dan memudahkan pengontrolan.

b. Kecepatan pencampuran yang tinggi membuat reaktor selalu berada dalam

kondisi isotermal sehingga memudahkan pengendaliannya.

c. Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan

pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor.

d. Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan massa antara partikel cukup

tinggi.

e. Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas

yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas

permukaan kecil.

Sebaliknya, kerugian proses fluidisasi antara lain:

a. Selama operasi partikel-partikel padat mengalami pengikisan sehingga

karakteristik fluidisasi dapat berubah dari waktu ke waktu.

b. Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya sejumlah

tertentu padatan.

c. Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.

d. Terjadinya gelombang dan penorakan di dalam unggun sering kali tidak dapat

dihindari sehingga kontak antara fluida dan partikel tidak seragam. Jika hal ini

terjadi pada reaktor, konversi reaksi akan kecil.

Jika suatu fluida melewati partikel unggun yang ada dalam tabung, maka

aliran tersebut memberikan gaya seret (drag force) pada partikel dan

menimbulkan pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan naik jika

kecepatan supervisial naik.

Pada kecepatan supervisial rendah, unggun mula-mula diam. Jika kemudian

kecepatan supervisial dinaikkan, maka pada suatu saat gaya seret fluida

menyebabkan unggun mengembang dan tahanan terhadap aliran udara mengecil,

sampai akhirnya gaya seret tersebut cukup untuk mendukung gaya berat partikel

unggun. Kemudian unggun mulai bergerak dan kondisi ini disebut minimum

fluidization. Kecepatan supervisial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya

fluidisasi disebut minimum fluidization velocity (v’mf). Sedangkan porositas dari

unggun ketika fluidisasi benar-benar terjadi dinamakan minimum fluidization

porosity (εmf). Sementara itu pressure drop sepanjang unggun akan tetap

walaupun kecepatan supervisial dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun

per satuan luas.

Jika kecepatan fluida diatas v’mf, unggun akan mulai mengembang

(bubbling) dan kondisi ini dinamakan aggregative fluidization. Kenaikan

kecepatan supervisial yang ekstrim tinggi dapat menyebabkan tumbuhnya

gelembung yang sangat besar, memenuhi seluruh tabung dan mendorong

terjadinya slugging bed. Pada saat ini pressure drop mungkin melampaui berat per

satuan luas karena adanya interaksi partikel dengan dinding tabung. Jika densitas

fluidanya lebih besar dan partikel unggun lebih kecil kemungkinan unggun dapat

tertahan dalam keadaan mengembang lebih stabil (particulate fluidzation).

Partikel unggun yang lebih ringan, lebih halus dan bersifat kohesif sangat sukar

terfluidisasi karena gaya tarik antar partikel lebih besar daripada gaya seretnya.

Sehingga partikel cenderung melekat satu sama lain dan gas menembus unggun

dengan membentuk channel.

1.2.2 Penentuan pressure drop pada fixed bed

Untuk menentukan pressure drop yang melalui fixed bed dapat dinyatakan

dengan persamaan berikut:

ΔP=150 μv 'mf ΔL

Dp2

×(1−ε )2

ε3+

1 , 75 ρv 'mf 2 ΔL

Dp×1−ε

ε

....................(1.3)

Dengan :

Dp = diameter partikel

= viskositas fluida

ΔL = tinggi bed

ε = voidage

v’mf = kecepatan supervisial

1.2.3 Faktor Bentuk

Faktor bentuk adalah perbandingan luas permukaan bola pada volum

tertentu dengan luas permukaan partikel pada volum yang sama. Faktor bentuk

untuk partikel tidak teratur sudah ditentukan. Untuk material yang sering dipakai

mempunyai nilai 0,7 < s < 0,9.

1.2.4 Pengukuran kecepatan fluidisasi minimum

Pengukuran kecepatan fluidisasi minimum dapat diperoleh dari grafik

pressure drop versus supervisial velocity, yaitu merupakan titik potong antara

bagian kurva yang naik dan bagian kurva yang datar.

Gambar 1.12 Grafik Hubungan Supervisial Velocity vs Pressure Drop

DAFTAR PUSTAKA

Aprilasani. Z. 2011. Fluidisasi. Laporan Praktikum Kimia IV Fluidisasi. Fakultas

Teknik Kimia: Universitas Muhammadiyah. Jakarta.

Mc Cabe, W.L., J.C Smith and P. Harriot. 1985. Unit Operation of Chemical

Engineering. 5th edition. McGraw-Hill Book Co. Inc. New York.

Geankoplis. Christi J. 1993. Transport Processes and Unit Operation. Edisi ke 3.

Hal 88. Prentice-Hall International. Inc. New York.

S., Herri. 1986. Operasi Teknik Kimia I. Jurusan Teknik Kimia Fakultas

Teknologi Industri: Institut Teknologi Bandung. Bandung.

Tim Penyusun. 2015. Penuntun Praktikum Laboratarium Teknik Kimia I.

Pekanbaru : Universitas Riau.