BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Fluidisasi adalah suatu fenomena berubahnya sifat suatu padatan (bed)

dalam suatu reaktor menjadi bersifat seperti fluida dikarenakan adanya aliran

fluida ke dalamnya, baik berupa liquid maupun gas.

Jika suatu aliran udara melewati partikel unggun yang ada dalam tabung,

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

menimbulkan pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan naik jika

kecepatan superficial naik.

Kecepatan superfisial adalah laju alir udara pada kolom yang kosong,

sedangkan kecepatan interstitial adalah kecepatan udara di antara partikel unggun.

Pada kecepatan superfisial rendah, ungun mula-mula diam. Jika kecepatan

superfisial dinaikkan maka pada suatu saat gaya seret fluida menyebabkan unggun

mengembang dan menyebabkan tahanan terhadap aliran udara mengecil, sampai

akhirnya gaya seret tersebut cukup untuk mendukung gaya berat partikel unggun.

Hal ini menyebabkan unggun terfluidisasi dan sistem solid-fluida menunjukkan

sifat-sifat seperti fluida. Kecepatan superfisial terendah yang dibutuhkan agar

terjadi fluidisasi disebut minimum fluidization velocity (Umf).

Fluidisasi berhubungan dengan banyak proses industri kimia, misalnya

dalam proses katalisasi maupun dalam proses pemurnian gas. Proses fluidisasi ini

memiliki beberapa hal penting yang harus diperhatikan, seperti jenis dan tipe

fluidisasi, aplikasi dalam industri serta spesifikasi dan cara kerja alatnya.

Aplikasi fluidisasi dalam proses industri sangat banyak. Hal ini dimulai

pada tahun 1926 untuk Gasifier Winkler berskala besar lalu Fluidized-bed

Catalytic Cracking (FCC) crude oil menjadi bensin pada tahun 1942. Aplikasi

tersebut semakin berkembang dan pada tahun 1990 dapat diklasifikasikan menjadi

proses-proses kimia katalitik (seperti FCC dan sintesis Fischer-Tropsch), proses-

proses kimia nonkatalitik (seperti thermal cracking dan gasifikasi batubara), dan

proses-proses fisik (seperti pengeringan dan absorpsi). Selain itu, fluidisasi

kontinu banyak dimanfaatkan dalam pabrik pengolahan untuk memindahkan

padatan dari satu tempat ke tempat lain.

Unggun terfluidisasi memiliki aplikasi yang luas karena karakteristik

perpindahan panasnya yang sangat baik. Hal ini didukung oleh berubahnya sifat

dari unggun tersebut menjadi seperti fluida sehingga perpindahan panas yang

terjadi adalah secara konveksi. Dengan demikian, partikel dan gas yang memasuki

unggun terfluidisasi segera mencapai suhu unggun dan partikel dalam unggun

bersifat isotermal pada semua situasi. Keadaan isotermal ini disebabkan oleh

pencampuran yang merata dan area kontak yang luas antara gas dan partikel.

Jadi, kita sebagai mahasiswa Teknik Kimia perlu mempelajari fluidisasi

karena pada proses yang berhubungan dengan katalisasi ataupun hal yang erat

kaitanya dengan perlakuan gas-solid dan liquid-solid, fluidisasi sangat diperlukan.

1.2 Rumusan masalah

1.3 Tujuan

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Fenomena Fluidisasi

Jika suatu aliran udara melewati suatu partikel unggun yang ada dalam

tabung, maka aliran tersebut akan memberikan gaya seret (drag force) pada

partikel dan memberikan pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan

naik jika kecepatan superficial naik (kecepatan superficial adalah kecepatan aliran

jika tabung kosong).

Pada kecepatan superficial rendah, unggun mula-mula diam. Jika

kecepatan superficial 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 dan unggun akan terfluidisasi.

Sementara itu, pressure drop akan tetap walaupun kecepatan superficial

terus dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun persatuan luas. Kecepatan

superficial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi disebut Minimum

Fluidization Velocity (Umf).

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. Fenomena fluidisasi dengan variasi laju alir gas

Gas in

Bed x

Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada

gambar berikut ini:

Gambar 2. Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat

Adapun 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 3.

Gambar 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 4.

P1

P2

Gambar 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 5.

Gambar 5. Fenomena smooth or homogrnously 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 6.

Gambar 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 7.

Gambar 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 8.

Gambar 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 9.

Gambar 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. Selain itu,

fenomena pada gambar 2 dapat dijelaskan melalui persamaan Bernoulli dengan

aliran laminer sebagai berikut, yaitu:

F=150 V s μ(1−ε )2 Δx

( D p )2ε3 ρ dan PgzF

Pada gambar 2, terlihat bahwa perbedaan tekanan sepanjang unggun

secara linear berbanding lurus dengan laju alir volumetrik selama fluidisasi belum

tercapai.

Jika padatan berupa partikel seperti pasir, ketahanan partikel tersebut

terhadap aliran fluida akan menurun dengan meningkatnya porositas partikel

tersebut. Pengukuran P pada sepanjang unggun dapat dinyatakan dengan

persamaan sbb:

−ΔP=150V s μ (1−ε )2 Δx

( Dp )2 ε3

Bila Vs meningkat, meningkat dan P dijaga agar konstan. Dalam hal ini

x juga akan meningkat, akan tetapi pengaruh dari kenaikan x ini lebih kecil

dibandingkan pengaruh yang ditimbulkan oleh perubahan Adapun hubungan

x, P dan kecepatan aliran fluida dapat dilihat pada gambar 10.

Untuk kecepatan yang kurang dari kecepatan fluidisasi minimum (Umf)

maka unggun akan berperilaku sebagai packed bed. Namun, jika kecepatan aliran

fluida dinaikkan melebihi Umf, maka tidak hanya unggun yang terangkat, tetapi

partikel akan bergerak dan akan saling berbenturan satu sama lain dan akhirnya

keseluruhan massa partikel akan menjadi fluida.

Gambar 10. Transition from packed bed to fluidized bed

Selama fluidisasi, penurunan tekanan sepanjang unggun akan tetap

walaupun kecepatan superfisial terus dinaikkan dan sama dengan berat efektif

unggun persatuan luas:

Δp= mρp Sb

( ρp− ρf ) g

dimana: m = massa partikel

ρp = densitas partikel

Sb = luas area unggun

ρf = densitas fluida

g = percepatan gravitasi

Jika laju alir ke unggun terfluidisasi diturunkan bertahap, penurunan

tekanan akan tetap konstan dan tinggi unggun akan berkurang.Walaupun

demikian, tinggi unggun terakhir akan lebih besar daripada tinggi mula-mula

untuk fixed bed. Hal ini dikarenakan solid di dalam tabung cenderung berkumpul

lebih rapat daripada jika solid diam secara bertahap dari keadaan terfluidisasi.

Penurunan tekanan pada laju alir rendah lebih kecil daripada nilai awal di fixed

bed. Unggun yang terfluidisasi akan bersifat menyerupai liquid, di antaranya:

Benda yang lebih ringan akan mengapung di atas unggun (yaitu benda-

benda yang densitasnya lebih kecil daripada densitas bulk unggun),

Permukaan akan tetap horizontal bahkan dalam unggun yang miring,

Solid dapat mengalir melalui bukaan di kolom sama seperti liquid,

Unggun memiliki tekanan statis karena gravitasi, nilainya sebesar ρogh,

Ketinggian antara dua unggun terfluidisasi yang serupa sama dengan

tekanan statik mereka.

2.2 Jenis – Jenis Fluidisasi

2.2.1 Fluidisasi Partikulat

Dalam fluidisasi pasir dengan air, partikel-partikel bergerak menjauh satu

sama lain dan gerakannya bertambah hebat dengan meningkatnya kecepatan,

tetapi densitas unggun rata-rata pada suatu kecepatan tertentu sama di semua

bagian unggun. Proses ini disebut fluidisasi partikulat dan bercirikan ekspansi

hamparan yang cukup besar tetapi seragam pada kecepatan tinggi. (McCabe,

1985:151)

Akan tetapi, tidak semua fluida liquid pasti menghasilkan fluidisasi

partikulat, hal ini dipengaruhi oleh perbedaan densitas. Dalam kasus dimana

densitas fluida dan solid tidak terlalu berbeda, ukuran partikel kecil, dan

kecepatan aliran fluida rendah, unggun akan terluidisasi merata dengan tiap

partikel bergerak sendiri-sendiri melewati jalur bebas rata-rata (mean free path)

yang relatif sama. Fase padat ini memiliki banyak karakteristik liquid dan disebut

fluidisasi partikulat. (Foust, 1959:643)

Pada fluidisasi partikulat, ekspansi yang terjadi adalah seragam dan

persamaan Ergun, yang berlaku untuk unggun diam, dapat dikatakan masih

berlaku untuk unggun yang agak mengembang. Andaikan aliran di antara partikel-

partikel itu adalah laminar, persamaan yang berlaku untuk hamparan yang

mengalami ekspansi adalah (McCabe, 1985:152):

ε3

1−ε=

150 V s μ

g (ρp−ρ )φs2

Dp2

2.2.2 Fluidisasi Agregat/ Fluidisasi Gelembung

Unggun yang difluidisasikan dengan udara biasanya menunjukkan

fluidisasi agregat. Pada kecepatan superfisial yang jauh melebihi Umf,

kebanyakan gas akan melewati unggun sebagai gelembung atau rongga-rongga

kosong yang tidak berisikan zat padat dan hanya sebagian kecil gas yang mengalir

dalam saluran-saluran yang terbentuk di antara partikel. Gelembung yang

terbentuk berperilaku hampir sama dengan gelembung udara di dalam air atau

gelembung uap di dalam zat cair yang mendidih, dan karena itu fluidisasi jenis ini

sering disebut fluidisasi didih (boiling bed). (McCabe, 1985:151)

Gelembung-gelembung yang terbentuk cenderung bersatu dan menjadi

besar pada waktu naik melalui hamparan fluidisasi itu. Jika kolom yang

digunakan berdiameter kecil dengan hamparan zat padat yang tebal, gelembung

itu mungkin berkembang hingga memenuhi seluruh penampang. Gelembung-

gelembung yang beriringan lalu bergerak ke puncak kolom terpisah dari zat padat

yang seakan-akan tersumbat. Peristiwa ini disebut penyumbatan (slugging).

(McCabe, 1985:151)

Penyamarataan bahwa fluida gas pasti menghasilkan fluidisasi gelembung

tidak sepenuhnya benar. Perbedaan densitas merupakan parameter yang penting.

Pada kasus dimana densitas fluida dan solid berbeda jauh atau ukuran partikel

besar, kecepatan aliran fluida yang dibutuhkan lebih besar dan fluidisasi yang

terjadi tidak merata. Sebagian besar fluida melewati unggun dalam bentuk

gelembung (bubbles). Di sini, unggun memiliki banyak karakteristik liquid

dengan fasa fluida terjadi pada saat gas menggelembung melewati unggun.

Fluidisasi jenis ini disebut fluidisasi agregat. (Foust, 1959:643)

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

sukar terfluidisasi karena gaya tarik antarpartikel lebih besar daripada gaya

seretnya. Partikel cenderung melekat satu sama lain dan gas menembus unggun

dengan membentuk channel.

Pengembangan volume unggun dalam fluidisasi gelembung terutama

disebabkan oleh volume yang dipakai oleh gelembung uap, karena fase rapat pada

umumnya tidak berekspansi dengan peningkatan aliran. Dalam penurunan berikut

ini, aliran gas melalui fase rapat diandaikan sama dengan Umf dikalikan dengan

fraksi unggun yang diisi oleh fase rapat, ditambah sisa aliran gas yang dibawa

oleh gelembung (McCabe, 1985:154), sehingga:

V s=f b ub+(1−f b )U mf

dimana: fb = fraksi unggun yang diisi gelembung

ub = kecepatan rata-rata gelembung

Dalam fluidisasi agregat, fluida akan membuat gelembung pada padatan

unggun dalam tingkah laku yang khusus. Gelembung fluida meningkat melalui

unggun dan pecah pada permukaan unggun dan akan tejadi “splashing” dimana

partikel unggun akan bergerak ke atas. Seiring dengan meningkatnya kecepatan

fluida, perilaku gelembung akan bertambah besar. (Brown, 1955:269)

Keberadaan fluidisasi partikulat atau agregatif merupakan hasil dari

pengaruh gaya gravitasi pada fasa-fasa yang ada dalam unggun terfluidisasi dan

juga karena mekanika fluida ruah dari sistem. Angka Froude,

v2

Dp g , yaitu rasio

antara kinetik dengan energi gravitasi merupakan salah satu kriteria penentu jenis

fluidisasi apa yang terjadi. (Foust, 1959:643)

2.2.3 Fluidisasi Kontinu

Bila kecepatan fluida melalui hamparan zat padat cukup besar, maka

semua partikel dalam hamparan itu akan terbawa ikut oleh fluida hingga

memberikan suatu fluidisasi kontinu. Prinsip fluidisasi ini terutama diterapkan

dalam pengangkutan zat padat dari suatu titik ke titik lain dalam suatu pabrik

pengolahan di samping ada beberapa reaktor gas zat padat lama yang bekerja

dengan prinsip ini. Contohnya adalah dalam tranportasi lumpur dan tranportasi

pneumatic. (McCabe, 1985:151)

Ketika laju alir fasa fluida melewati kecepatan terminal partikel, unggun

terfluidisasi akan kehilangan identitasnya karena partikel solid terbawa dalam

aliran fluida. Metoda pengangkutan ini sering digunakan dalam industri, biasanya

dengan udara sebagai fasa fluida, antara lain untuk mengangkut produk dari

pengering semprot (spray dryers). Keuntungan metoda ini adalah kehilangan yang

terjadi sedikit, prosesnya bersih, dan kemampuannya untuk memindahkan

sejumlah besar solid dalam waktu singkat. Tetapi kerugiannya antara lain ada

kemungkinan terjadi kerusakan partikel solid serta korosi pada pipa mungkin

besar. (Foust, 1959:647)

Dalam fluidisasi, karena sifat-sifat partikel padat yang menyerupai sifat

fluida cair dengan viskositas tinggi, metode pengontakan fluidisasi memiliki

beberapa keuntungan dan kerugian.

2.3 Sifat dan Karakteristik Partikel Unggun

a. Ukuran partikel

Padatan dalam unggun yang terfluidisasi tak pernah sama dalam ukuran

dan mengacu pada distribusi ukuran partikel tersebut. Untuk menghitung ukuran

partikel rata-rata dengan menggunakan diameter rata-rata permukaan (Kirk

Othmer,1994:141).

d sv=1

∑x i

d pi

dimana:

dp = diameter partikel rata-rata yang secara umum digunakan untuk desain

dsv = diameter dari suatu bidang

b. Densitas padatan

Padatan dapat dibedakan menjadi 3 bagian berdasarkan densitasnya yaitu

bulk, skeletel, dan particle. Densitas bulk merupakan pengukuran berat dari

keseluruhan partikel dibagi dengan volume partikel. Pengukuran ini menyertakan

faktor kekosongan dalam pori-pori partikel. Skeletel adalah densitas suatu padatan

jika porositasnya nol. Adapun densitas partikel adalah berat dari suatu partikel

dibagi dengan volumenya dengan menyertakan pori-pori. Jika tidak ada nilai

untuk densitas partikel, maka pendekatan untuk densitas partikel dapat diperoleh

dengan membagi dua densitas bulk.

c. Penurunan tekanan

Penurunan tekanan yang terjadi pada campuran dua fasa dinyatakan dalam

beragam bentuk, seperti static head, akselerasi dan kehilangan friksi untuk gas

dan padatan. Untuk aplikasi fluidisasi unggun di luar kondisi ketika akselerasi

penurunan tekanan dapat diterima, penurunan tekanan akan dihasilkan dari static

head padatan. Untuk itu, berat suatu partikel unggun jika dibagi dengan tinggi

padatan akan menghasilkan densitas sesungguhnya dari unggun yang terfluidisasi.

Formulanya dirumuskan sebagai berikut :

PLpggc

Salah satu aspek yang akan ditinjau dalam percobaan ini adalah

mengetahui besarnya penurunan tekanan (pressure drop) di dalam unggun

padatan yang terfluidakan. Hal tersebut mempunyai arti yang cukup penting

karena selain erat sekali hubungannya dengan besarnya energi yang diperlukan,

juga bisa memberikan indikasi tentang kelakuan unggun selama operasi

berlangsung. Penentuan besarnya hilang tekan di dalam unggun terfluidakan

terutama dihitung berdasarkan rumus-rumus yang diturunkan untuk unggun diam,

terutama oleh Balke, Kozeny, Carman, ataupun peneliti-peneliti lainnya.

Korelasi-korelasi matematik yang menggambarkan hubuangan antara

hilang tekan dengan laju alir fluida di dalam suatu sistem unggun diam diperoleh

pertama kali pada tahun 1922 oleh Blake melalui metode-metode yang bersifat

semi empiris, yaitu dengan menggunakan bilangan-bilangan tidak berdimensi.

Untuk aliran laminer dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh gaya

viscous, Blake memberikan hubungan :

ΔPL

gc=kμS2

ε3

dimana:

ΔP/L = hilang tekan per satuan panjang/ tinggi unggun

gc = faktor gravitasi

μ = viskositas fluida

ε = porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang

kosong didalam unggun dengan volume unggun

u = kecepatan alir superfisial fluida

S = luas permukaan spesifik partikel

d. Sphericity

Sphericity merupakan faktor bentuk yang dinyatakan sebagai rasio dari

area permukaan volume partikel bulat yang sama dengan partikel itu dibagi

dengan area permukaan partikel.

ψ=d sv

d v

Material yang melingkar seperti katalis dan pasir bulat memiliki nilai sphericity

sebesar 0.9 atau lebih.

e. Kecepatan Fluidisasi Minimum (Umf)

Kecepatan fluidisasi minimum adalah kecepatan superficial terendah yang

dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi. Umf dapat dicari dengan menggunakan

persamaan

Umf = [(1135.7+0.0408Ar)0.5-33.71]/(gdp)

Di mana bilangan Archimides (Ar) adalah :

Ar = gdp3(pgg/2

Untuk memprediksi Umf, Ergun menurunkan suatu korelasi dengan cara

menyamakan pressure drop pada saat Umf dengan berat unggun persatuan luas

dan diperoleh persamaan sebagai berikut.

Suku pertama persamaan Ergun dominan untuk aliran laminer sedangkan

suku kedua dominan pada aliran turbulen. Pengukuran Umf dapat diperoleh dari

grafik P vs Umf, yaitu sesuai titik potong atau antara bagian kurva yang datar

seperti yang digambarkan pada gambar 10.

f. Kecepatan terminal

Kecepatan terminal suatu partikel (Ut) merupakan kecepatan gas yang

dibutuhkan untuk mengatur partikel tunggal yang tersuspensi dalam aliran gas.

Kecepatan terminal suatu partikel dinyatakan dalam persamaan:

U t=[ 4 gd p( ρp−ρg )3 ρg Cd

]1/2

Dalam aliran laminer dan mengikuti Hukum Stokes:

Cd=24Re p

Re p=d p Uρg

μ

Jadi, kecepatan terminal untuk partikel tunggal berbentuk bulat adalah

U t=g( ρ p− ρg )d

p2

18 μ untuk Rep < 0.4

Dan untuk partikel besar dengan Cd = 0.43

U t=[3,1( ρ p−ρg ) gd p

ρg]1/2

untuk Rep > 500

Persamaan ini mengindikasikan bahwa untuk partikel yang berukuran

kecil viskositas merupakan faktor dominan setiap gas dan untuk partikel

berukuran besar densitas merupakan faktor yang terpenting. Kedua persamaan di

atas mengabaikan gaya antar partikel. Secara umum kecepatan selip (U selip) atau

kecepatan efektif terminal untuk partikel dalam suspensi (U*t) adalah:

Uselip = U*t = Ut . f()

Kekosongan f() dari unggun yang terfluidisasi adalah fraksi mol yang

terjadi oleh gas. Fungsi t dapat dinyatakan dengan pendekatan Kozeny-Charman

berikut.

f () = 0.1 2/(1-

Pendekatan lain yang digunakan untuk sistem banyak fasa yaitu korelasi

Richardson-Zaki untuk partikel tunggal dalam suspensi, yaitu:

U/Ut =n

n merupakan fungsi dari dp/D dan bilangan Re yang divariasikan dari 2.4-4.7

(Kirk Othmer, 1994:144).

g. Batas partikel

Partikel diklasifikasikan berdasarkan bagaimana partikel tersebut

terfluidisasi dalam udara pada kondisi tertentu. Partikel tersebut dapat

diklasifikasikan menjadi:

Partikel halus

Partikel kasar

Kohesif, partikel yang sangat halus

Unggun yang bergerak

h. Gaya antar partikel

Gaya antar partikel sering kali diabaikan dalam fluidisasi meskipun dalam

banyak kasus gaya ini lebih kuat dibandingkan hydrodinamic yang digunakan

dalam banyak korelasi. Gaya antar partikel yang berhubungan atau berkaitan

dengan unggun yang terfluidisasi, misalnya van der waals, elektrostatik, dan

kapilaritas.

i. Daerah batas fluidisasi (fluidization regimes)

Pada kecepatan gas rendah, suatu padatan dalam tabung unggun akan

berada pada kondisi konstan seiring dengan bertambahnya kecepatan gas, gaya

seret, dan gaya buoyant mengalahkan berat partikel serta gaya antar partikel

tersebut ( Kirk Othmer, 1994:147). Pada fluidisasi minimum partikel

memperlihatkan pergerakan yang minimal dan secara langsung unggun akan

sedikit terangkat.

2.4 Kelebihan dan Kekurangan Teknik Fluidisasi

Kelebihan dari teknik fluidisasi adalah:

1. Properti transfer panas yang baik dalam gas-fluidized bed. Gelembung

yang terbentuk menjaga unggun bersifat isotermal dan laju transfer panas

yang tinggi diperoleh antara unggun dan permukaan yang dicelupkan.

2. Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat

padat secara kontinu dan memudahkan pengontrolan.

3. Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah

panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang

memiliki luas permukaan kecil.

4. Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass antara partikel cukup

tinggi.

5. Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi

memungkinkan pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor.

Kekurangan dari teknik fluidisasi adalah:

1. Kecepatan fluida yang digunakan terbatas pada jangkauan dimana unggun

terfluidisasi. Jika kecepatan jauh lebih besar dari Umf, dapat terjadi

kehilangan material yang cukup besar akibat terbawa keluar dari unggun

serta ada kemungkinan terjadi kerusakan partikel karena kecepatan operasi

yang terlalu besar.

2. Tenaga untuk memompa fluida sehingga terjadi fluidisasi harus besar

untuk unggun yang besar dan dalam.

3. Ukuran dan tipe partikel yang dapat digunakan dalam teknik ini terbatas.

4. Karena sifat unggun terfluidisasi yang kompleks, seringkali terjadi

kesulitan dalam mengubah skala kecil menjadi skala industri.

5. Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.

6. Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya

sejumlah tertentu padatan.

2.5 Perilaku Gelembung Pada Ketinggian Unggun

2.5.1 Perilaku Gelembung

Gelembung yang lebih besar cenderung naik lebih cepat dibanding

gelembung yang kecil sehingga antar gelembung akan terjadi tumbukan dan

bergabung (coalescence) dan gelembung semakin bertambah besar. Dinding

tabung juga mempengaruhi gerekan gelembung sehingga gelembung cenderung

bergerak ke arah dalam unggun.

Gelembung terjadi dalam kebanyakan unggun yang terfluidisasi dan

peranannya sangat penting karena akibat laju dari perubahan massa atau energi di

antara gas dan padatan dalam unggun. Gelembung terbentuk dalam unggun yang

terfluidisasi dari ketidakstabilan sistem 2 fasa. Pengontrolan ukuran gelembung

dapat diperoleh dengan mengontrol distribusi ukuran partikel atau dengan

meningkatkan kecepatan gas.

Mengacu pada teori gelembung dua fasa dan fluidisasi, semua gas yang

dibutuhkan untuk fluidisasi minimum melewati unggun dalam proses

pembentukan gelembung. Gelembung meningkat melalui unggun dalam 2 kondisi

yang berbeda. Gelembung yang meningkat secara padat dapat terjadi pada

kecepatan gas kurang dari Umf dan hal ini memberikan kesempatan untuk gas

melewati partikel unggun dan sirkuit pendek melalui gelembung menuju ke

permukaan unggun.

Kecepatan suatu gelembung yang bertambah besar melalui fluida unggun

dinyatakan dalam rumus:

Uhr = 0.71(gDb)0.5

Jika terjadi slugging, berlaku persamaan

Uhr = Uslug = 0.35(gD)0.5

Jadi kecepatan aktual peningkatan gelembung dalam unggun yang terfluidisasi

dinyatakan dengan rumus:

Ub = (U-Umf)+Ubr

2.5.2 Ketinggian Unggun

Tinggi unggun dapat diplot terhadap kecepatan superficial. Untuk

kecepatan superficial tinggi permukaan berfluktuasi karena pecahnya gelembung

di permukaan sehingga ketinggian unggun hanya dapat diukur dengan perkiraan.

2.6 Sifat – Sifat Perpindahan Panas Unggun Terfluidisasi

Unggun yang terfluidisasi oleh gelembung-gelembung tercampur dengan

sangat baik karena pertikel-partikel unggun tersirkulasi oleh gelembung udara

yang naik. Akibatnya, suhu unggun sangat seragam walaupun terdapat reaksi yang

sangat eksoterm. Jika luas permukaan tranfer panas antara gas dan unggun cukup

tinggi, gas dan pertikel cepat mencapai suhu yang sama. Laju transfer panas yang

tinggi dapat diperoleh antara permukaan panas yang tercelup di dalam unggun

dengan unggunnya itu sendiri. Tiga mekanisme yang menyumbangkan transfer

panas antara unggun terfluidisasi dan permukaan adalah :

a. Untuk partikel unggun dengan diameter < 500 dan densitas < 4000 kg/m3

(kecuali paertikel halus yang sangat kohesif), mekanisme utama adalah

adanya sirkulasi antara bulk unggun dan partikel yang berdekatan denghan

permukaan panas (Particle Convective Mechanism).

Partikel mampu mentransfer banyak panas karena mempunyai kapasitas

panas pada saat awal partikel berdekatan dengan permukaan panas, terdapat

gradien suhu lokal yang besar yaitu adanya perbedaan suhu yang besar antara

bulk unggun dengan permukaan sehingga laju perpindahan panas sangat

besar. Akan tetapi, semakin lama suhu unggun semakin mendekati suhu

permukaan. Jadi untuk selang waktu tertentu laju transfer panas semakin

tinggi jika pertikel bersinggungan dengan permuikaan panas dalam recident

time yang singkat yang dapat diperoleh dengan mengatur kondisi operasi.

Tetapi harus diingat bahwa recident time yang ekstrim kecil untuk

memeroleh koefisien perpindahan panas yang paling tinggi dibatasi oleh

konduktivitas panas gas dan jarak jalur transfer panas terpendek di mana

panas mengalir secara konduksi antara partikel unggun dan permukaan panas.

b. Untuk unggun dalam ukuran atau densitas yang lebih besar, kecepatan

interstisial adalah turbulen yang berarti bahwa transfer panas konveksi

melalui gas menjadi penting. Jika transfer panas mode ini menjadi dominan

maka transfer panas akan naik dengan naiknya diameter partikel (karena

makin besar partikel maka makin besar turbulensi kecepatan interstisial).

c. Untuk suhu yang lebih tinggi akan terdapat perbedaan suhu yang sangat besar

antara unggun dan permukaan panas sehingga transfer panas secara radiasi

menjadi penting.

Perpindahan kalor ke permukaan dalam sistem padat-gas koefisien

perpindahan panas ke permukaannya sangat tergantung pada kualitas fluidisasi

yang terjadi (Coulson, 1968:215). Untuk menghitung koefisien perpindahan panas

tersebut dapat digunakan persamaan Dow dan Jacob berikut.

tc

p

ssttt dU

Ce

Ce

d

d

L

d

k

hd25,017,065,0

)1(55,0

dimana: h = koefisien perpindahan panas

k = konduktivitas termal gas

D = diameter partikel

Dt = diameter tube

L = panjang unggun

= kekosongan unggun

sdensitas padatan

densitas gas

Cs = kapasitas panas padatan

Cp = kapasitas panas gas pada tekanan konstan

viskositas gas

Uc = kecepatan superficial dalam tube kosong

2.7 Penyimpangan dari Keadaan Ideal (Interlock)

Karakteristik fluidisasi seperti digambarkan pada kurva fluidisasi ideal

hanya terjadi pada kondisi yang betul-betul ideal dimana butiran zat padat dengan

mudah saling melepaskan pada saat terjadi kesetimbangan antara gaya seret

dengan berat partikel. Pada kenyataannya, keadaan di atas tidak selamanya bisa

terjadi karena adanya kecenderungan partikel-partikel untuk saling mengunci satu

dengan lainnya (interlock), sehingga akan terjadi kenaikan hilang tekan (ΔP)

sesaat sebelum fluidisasi terjadi. Fenomena interlock ini dapat dilihat pada

Gambar 11, terjadi pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun

tetap menjadi unggun terfluidakan.

Umf

Gambar 11. Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock.