Fluidized Bed Reactor

Fluidized Bed Reactor

Gambaran umum FBR:Partikel katalis tersangga oleh aliran gas ke atas. Reaktor ini memungkinkan pengisian dan pengambilan katalis dengan mudah, oleh karena itu cocok untuk proses yang sering membutuhkan pergantian katalis. Konstruksinya tidak begitu mahal, namun hidrodinamiknya cukup kompleks. Dengan FBR dapat diperoleh konversi dan produksi yang tinggi tetapi partikel katalis harus tahan terhadap kikisan dan tidak terjadi aglomerasi. Untuk mengembalikan katalis diperlukan cyclone.

Fase Reaksi:Biasanya gas dan operasi berjalan kontinyu.

Partikel katalis:Ukuran partikel rata-rata berkisar antara 20-100 mikron dengan distribusi sempit dan partikel katalis tidak boleh mudah terkikis (attrition resistant).

Panas reaksi:Panas reaksi yang berlebihan dapat dengan mudah di control dengan mengalirkan udara yang sangat berlebih ke dalam reaktor.

Mekanika fluida dari proses fluidisasi:

AohFluidaPadatanFraksi(1-)Volume (A.h)(1-) (A.h)Massa (A.h) f(1-) (A.h) p

Arah aliran gas ke atas melalui tumpukan katalis akan menyebabkan gaya seret (drag force) pada partikel padatan dan pada kecepatan gas yang rendah pressure drop yang dihasilkan oleh gaya seret ini mengikuti persamaan Ergun.

Persamaan Ergun bentuk lain:

Ketika kecepatan gas dialirkan sampai harga tertentu, gaya tekan ke atas akan setara dengan berat tumpukan katalis dan partikel akan terangkat dan terfluidisasi. Jika kecepatan cukup tinggi, partikel akan terlempar keluar Jika kecepatan terlalu rendah, partikel tidak mampu mengembang

buoyancy (gaya apung)gaya seretgravitasi

Neraca Gaya:

Persamaan Ergun untuk Pressure Drop:

Jika

Minimum Fluidization VelocityPersamaan di atas dapat digunakan untuk menghitung kecepatan fluidisasi minimum (mf), jika fraksi rongga atau avoid fraction (mf) pada saat mulai fluidisasi tersebut dijalankan.

omf fixed bed reactor fluidized bed reactor

(mf) dapat dilihat di Perry untuk bola 0,3 0,4

Dimana,a adalah luas spesifik (luas/volume)dp adalah diameter bola yang memberikan volume yang sama pada partikel tersebutHarga parameter berkisar antara 0,5 1. Untuk padatan berbentuk granul berkisar 0,6

Contoh Soal:Suatu tumpukan partikel padatan berbentuk kubus dengan sisi 0,02 meter. Bulk density b = 980 kg/m3 dan particle density nya p = 1500 kg/m3.Hitung:a. , void fraction tumpukan padatan tersebut.b. diameter efektif (dp) dimana dp adalah diameter bola yang memiliki volum ekuivalen dengan volume partikel.c. Factor bentuk, sphericity kubus tersebut.d. Perkirakan harga fluidisasi minimum jika fluida air suhu 38 oC (air = 0,994 g/cm3; air = 0,693 cP) dan diameter kolom 0,15 m.

Diketahui:r= 0,02 mb = 980 kg/m3p = 1500 kg/m3T= 38 oCair = 0,994 g/cm3air = 0,693 cPD= 0,15 mg= 10 m/s2

Jawaban:a. , void fraction tumpukan padatan tersebut.

b. diameter efektif (dp) dimana dp adalah diameter bola yang memiliki volum ekuivalen dengan volume partikel.

c. Factor bentuk, sphericity kubus tersebut.

d. Perkirakan harga fluidisasi minimum jika fluida air suhu 38 oC (air = 0,994 g/cm3; air = 0,693 cP) dan diameter kolom 0,15 m.

Maximum Fluidization Velocity

buoyancy (gaya apung)gaya seretgravitasiJika kecepatan fluida naik sampai harga tertentu, gaya tekan atau gaya seret pada masing-masing partikel akan melebihi gaya beratnya dan partikel akan terbawa oleh aliran fluida dan keluar bed. Pada titik dimana gaya seret pada individu partikel akan mulai melampaui gaya berat disebut maximum fluidization velocity.

Jika kecepatan gas ke atas melebihi free-fall terminal velocity (t) dari partikel, maka partikel akan terbawa ke atas bersama aliran gas.

omf

Untuk partikel kecil, harga bilangan Reynold akan kecil maka t dapat dihitung dengan persamaan yang diberikan oleh Kunii dan Levenspiel sebagai berikut:

Untuk mengoperasikan FBR, maka kecepatan superficial masuk reaktor (o) harus diatas kecepatan fluidisasi minimum dan di bawah kecepatan fluidisasi maksimum (terminal velocity).

Tinggi Tumpukan Partikel pada Fluidisasi MinimumSetelah minimum void fraction diperoleh, maka kita bias menghitung:

omfhhmfmf

Tugas 1 (Rabu, 12/12/2012)Reaksi oksidasi katalisis ammonia dilakukan di reaktor fluidized bed. Berdasarkan eksperimen, reaksi tersebut merupakan reaksi order satu, hanya tergantung dari konsentrasi ammonia. Pada sekali run, digunakan 4 kg katalis dengan kecepatan aliran gas pada kondisi operasi 818 cm3/s (dikonversikan ke linier velocity, cm/s). Konversinya mencapai 22%.Tentukan kecepatan fluidisasi minimum dan optimumnya!

Diketahui: Kondisi operasi: P= 840 torr= 1,11 atm T= 250 oC= 523 K Reaktor: D= 11,4 cm H= 38,9 cm Umpan: 0= 818 cm3/detik pada kondisi reaksi Komposisi, 10% NH3 dan 90% O2 Katalis: dp= 0,0105 cm - p= 2,06 g/cm3 = 0,6 (asumsi) Kecepatan reaksi: gmol NH3/dtk.cm3 kat pada kondisi reaksi Data Fluida (gas): g= 7,85 x 10-4 g/cm3 g= 2,98 x 10-4 g/cm.s DAB= 0,618 cm2/s

Hint:a. Mencari

b. Mencari

Selamat Mengerjakan !!!

Analisis:a. Mencari

b. Mencari

Maka,

Fixed Bed ReactorFluidized Bed Reactor

Sebagai ilustrasi, tinjau suatu kolom berisi sejumlah partikel padat berbentuk bola! Melalui unggun padatan ini kemudian dialirkan gas dari bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah, butiran padat akan tetap diam, karena gas hanya mengalir dari bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah, butiran padat akan tetap diam, karena gas hanya mengalir melalui ruang antar partikel tanpa menyebabkan perubahan susunan partikel tersebut. Keadaan yang demikian disebut fixed bed.Kalau laju alir kemudian dinaikkan, akan sampai pada suatu keadaan di mana unggun padatan akan tersuspensi di dalam aliran gas yang melaluinya. Pada keadaan ini masing-masing butiran akan terpisahkan satu sama lain sehingga dapat bergerak dengan lebih mudah. Keadaan yang demikian disebut fluidized bed.Dalam dunia industri, fluidisasi diaplikasikan dalam banyak hal seperti transportasi serbuk padatan (conveyor untuk solid), pencampuran padatan halus, perpindahan panas (seperti pendinginan untuk bijih alumina panas), pelapisan plastic pada permukaan logam, proses drying dan sizing pada pembakaran, proses pertumbuhan partikel dan kondensai bahan yang dapat mengalami sublimasi, adsorpsi (untuk pengeringan udara dengan adsorben), dan masih banyak aplikasi lain.

Fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada prose fluidisasi antara lain:1. Fenomena fixed bed yang terjadi ketika laju alir fluida kurang dari laju minimum yang dibutuhkan untuk proses awal fluidisasi. Pada kondisi ini partikel padatan tetap diam.

2. Fenomena minimum or incipient fluidization yang terjadi ketika laju alir fluida mencapai laju alir minimum yang dibutuhkan untuk proses fluidisasi. Pada kondisi ini partikel-partikel padat mulai terekspansi.

3. Fenomena smooth or homogenously fluidization terjadi ketika kecepatan dan distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam. 4. Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembunggelembung pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen.

5. Fenomena slugging fluidization yang terjadi ketika gelembung-gelembung besar yang mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel padat. Pada kondisi ini terjadi penorakan sehingga partikel-partikel padat seperti terangkat.

6. Fenomena chanelling fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal.

7. Fenomena disperse fluidization yang terjadi saat kecepatan alir fluida melampaui kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan terbawa aliran fluida dan ekspansi mencapai nilai maksimum.

Fenomena-fenomena fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:1. laju alir fluida dan jenis fluida2. ukuran partikel dan bentuk partikel3. jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel4. porositas unggun5. distribusi aliran,6. distribusi bentuk ukuran fluida7. diameter kolom8. tinggi unggun.Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akanmenentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut.

Teknik Reaksi Kimia 2 7