Modul Fluidisasi Cairan

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM OPERASI TEKNIK KIMIA

Modul Fuidisasi Fasa Cair

I. Teori Dasar

Fluidisasi cair merupakan proses yang penting dalam industri teknik kimia. Fluidisasi cair merupakan salah satu operasi pemisahan yang digunakan untuk memisahkan partikel spheris dan non-spheris. Fluidisasi cair ini memisahkan partikel berdasarkan perbedaan gaya seret yang dialami oleh partikel.

Partikel spheris memiliki penggunaan yang luas dalam industri, terutama dalam industri perminyakan. Dalam pengeboran minyak yang bertemperatur dan bertekanan tinggi, partikel spheris digunakan sebagai lubricant untuk mengurangi friksi antara metal dari bor drilling dan permukaan batuan. Metal pada bor dan batuan akan menimbulkan friksi dan panas yang sangat besar. Jika torsi yang ditimbulkan akibat gesekan tersebut besar, maka dapat menyebabkan pengeboran menjadi terhenti akibat mata bor tidak dapat berotasi. Oleh karena itu, partikel spheris digunakan untuk menjaga agar gesekan antara mata bor dan permukaan batuan tetap minimum. Partikel spheris dipilih karena memiliki ketahanan yang baik pada temperatur dan tekanan tinggi.

Fluidisasi merupakan suatu cara untuk memisahkan partikel berdasarkan spherisitasnya. Sebuah benda akan mengalami total gaya akibat fluida apabila terjadi gerak relatif antara permukaan benda dan fluida. Perhitungan total gaya tersebut tidak dapat diselesaikan secara analitis. Hampir semua penyelesaian total gaya tersebut membutuhkan hasil eksperimen yang dinyatakan dalam bentuk koefisien gaya angkat ataupun koefisien gaya hambat untuk bentuk geometri tertentu.

Fluidisasi cair adalah proses pemisahan partikel padat dengan mengalirkan fluida cair ke dalam unggun. Gaya yang bekerja pada partikel padat ialah gaya seret (gaya hambat) dan gaya gravitasi. Partikel padat akan terpisahkan akibat perbedaan gaya seret. Gaya seret adalah gaya yang dihasilkan fluida ketika berinteraksi dengan padatan sehingga partikel berukuran tertentu dapat melawan aliran fluida dan terpisah dari padatan lain.

Gaya Hambat

Gaya hambat ini merupakan komponen gaya fluida pada benda yang searah dengan arah aliran fluida atau gerakan benda. Gaya hambat dibedakan menjadi gaya hambat bentuk (form drag) dan gaya hambat gelombang (wave drag). Dengan pendekatan bahwa pada aliran tidak timbul gelombang maka pembahasan gaya hambat hanyalah gaya hambat bentuk saja, untuk selanjutnya disebut gaya hambat. Dari analisa tanpa dimensi dapat ditentukan gaya hambat diduga merupakan fungsi sebagai berikut :

Fd = f ( d, V,µ, ρ)

Keterangan:



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


Fd : gaya hambat

d : diameter penampang aliran

V : kecepatan aliran

µ : viskositas fluida

ρ : rapat massa fluida

Dengan menerapkan teori Buckingham Pi, dua buah parameter tanpa dimensi dapat ditentukan yaitu :

[ ]

F

V df

Vd

F

V Af

d

d

ρ

ρ

µ

ρ

2 2 2

2 2

=

= Re

Parameter tanpa dimensi tersebut dinyatakan sebagai koefisien gaya hambat, CD sehingga menjadi :

CF

U A

D

D=1

2

2ρ

angka 1/2 ditambahkan untuk menyesuaikan dengan tekanan dinamis aliran.

Keterangan:

Fd = gaya hambat

A = luas proyeksi partikel

U = kecepatan gerak partikel

Cd = koefisien hambatan

Berdasarkan kondisi aliran, maka gaya hambat diklasifikasikan menjadi 3 jenis yaitu gaya hambat murni karena gesekan (skin friction drag), gaya hambat karena tekanan (pressure drag), dan gaya hambat terinduksi (Induced drag). Total gaya hambat adalah jumlah ketiga gaya hambat tersebut. Gaya hambat yang dialami selama partikel bergerak di dalam air dipengaruhi oleh kekasaran, ukuran, bentuk, dan kecepatan gerak partikel serta rapat masa dan kekentalan air.

Pada aliran yang melintasi padatan bola maka total gaya hambat akan dipengaruhi oleh gaya hambat karena gesekan dan gaya hambat karena tekanan. Gaya hambat karena gesekan sangat dipengaruhi oleh angka Reynold sedangkan gaya hambat karena tekanan tidak dipengaruhi oleh angka Reynold. Koefisien gaya seret merupakan fungsi dari bentuk partikel dan bilangan Reynolds partikel ( Re ).



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


Pada aliran laminer, di mana Re < 0,2 atau untuk angka Re rendah maka gaya hambat didominasi oleh gaya hambat karena gesekan. Hal ini dikuatkan oleh persamaan Stokes, yaitu:

FD = 3 π µ V.d

sehingga koefisien gaya hambat adalah :

CF

V A

VD

D

D

D= = =1

2

3

4

24

2ρ

π µ

ρπ

1

2 V

Re

di mana: Re = (dp . ρw . Vs ) / µ

Keterangan :

dp = diameter partikel

Re =bilangan Reynolds partikel

Untuk kondisi aliran di atas Re = 1, terjadi kombinasi antara gaya hambat karena

gesekan dan gaya hambat karena tekanan. Pada angka Re ≈ 1000 gaya hambat

karena gesekan sekitar ± 5 % dari total gaya hambat. Pada saat aliran transisi, yaitu saat 0,2 < Re < 500, maka:

Sedangkan untuk aliran turbulen, menunda separasi aliran akan mengurangi gaya hambat karena tekanan. Pada saat aliran turbulen, yaitu saat 500< Re < 2.105, maka:

Cd= 0,44

Hubungan antara bentuk partikel, bilangan Reynolds partikel dan koefisien drag dapat dilihat pada gambar berikut :



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


Gambar 2.1 Koefisien seret partikel berbentuk spheris, piringan, dan silinder pada berbagai bilangan Reynold

2.2 Gaya Berat

Gaya berat partikel dalam air (impelling force) merupakan resultan antara gaya berat partikel dan gaya apung (buoyant force).

Fi = Fv – Fb

Keterangan :

Fi = gaya berat efektif partikel dalam air

Fv = gaya berat partikel

Fb = gaya apung

Apabila Fv = ρs . g . Vp dan Fb = ρv . g . Vp, maka :

Fi = ( ρs – ρw ). g . Vp

Keterangan :

ρs = rapat masa partikel



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


ρw = rapat massa air

g = percepatan gravitasi bumi

Vp = volume partikel

Fluidisasi Partikel

Gaya seret dan gaya berat akan membuat kesetimbangan gaya sehingga partikel akan terfluidisasi. Partikel padat yang memiliki densitas lebih besar dibandingkan fluida cenderung akan mengendap akibat gaya beratnya.

Keadaan fluidisasi dicapai apabila Fi = Fd, sehingga :

Dengan menganggap bahwa partikel yang terfluidisasi berbentuk bola, maka:

Substitusi Vp/Ap pada persamaan 6 dari persamaan 7, sehingga didapat :

Nilai Cd disubstitusi bergantung pada nilai Reynold partikel (Re). Persamaan 2.11 ini disebut hukum stoke mengenai terminal settling velocity.

II. Tujuan dan Sasaran Percobaan

Tujuan dari percobaan ini ialah untuk mendapatkan pasir spheris dan mendapatkan fraksi massa produk dan sisa dari proses pemisahan fluidisasi cair.

Sasaran dari percobaan fluidisasi cair ini ialah agar praktikan mampu memisahkan pasir spheris dan non-spheris dengan fluidisasi cair. Selain itu, praktikan diharapkan mampu menghitung fraksi massa produk dan sisa dari proses pemisahan fluidisasi cair.



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


III. Bahan dan Peralatan

Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah:

Tabel Alat dan Bahan Percobaan

Alat Bahan

1. Peralatan Fluidisasi Fasa Cair

2. Ayakan

3. Saringan

4. Oven

5. Gelas ukur 1 L

6. Pompa

7. Cawan penguapan

8. Piknometer

9. Viskometer

10. Timbangan

11. Pipet tetes

12. Kertas saring

13. Corong

14. Gelas kimia

15. Stopwatch

1. Aqua dm

2. Air

3. Pasir

4. Tipol

IV. Cara Perhitungan

Barikut adalah cara perhitungan pengolahan data yang dilakukan. Digunakan data riil hasil percobaan untuk mempermudah pengertian.

Kalibrasi Volume Piknometer

Massa piknometer kosong = (9,319+0,0005)gr

Massa piknometer+aqua dm = (14,190+0,0005)gr

Temperatur aqua dm = (25+0,25)OC

Densitas aqua dm = 0,997g/cm3

Massa aqua dm = 14,190–9,319gr = (4,871+0,00071)gr



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


Volume piknometer = 3

389,4

/997,0

871,4cm

cmgr

gr=

Penentuan Densitas Partikel

Perhitungan densitas partikel dilakukan dengan menggunakan piknometer dan tipol sebagai fluida yang akan mengisi ruang kosong pada piknometer. Perhitungan yang dilakukan pada penentuan densitas pasir umpan run 1 adalah:

Massa pikno+tipol = (14,345+0,0005)gr

Massa tipol = (5,026+0,0005)gr

Volume tipol = 4,89cm3

Densitas tipol = 3

3/029,1

89,4

026,5cmgr

cm

gr=

Massa pikno+pasir = 13,808gr

Massa pikno+pasir+tipol = 17,118gr

Massa tipol = 3,31gr

Volume tipol = 3,22 cm3

Massa pasir = 4,489gr

Volume pasir = Volume piknometer–volume tipol

= (4,89–3,22)cm3 = 1,67 cm3

Densitas pasir = 3

3/6912,2

67,1

489,4cmgr

cm

gr

rvolumepasi

massapasir==

Penentuan Viskositas Fluida

Viskositas fluida ditentukan dengan menggunakan viskometer. Viskometer dikalibrasi dengan menggunakan aqua dm sebagai larutan standar. Nilai k viskometer didapatkan dengan perhitungan sebagai berikut:

Waktu tempuh aqua dm = 46,81 detik

Viskositas aqua dm = 0,8937 cP

k viskometer = 0191,0det81,46

8937,0=

ik

cP

Viskositas fluida pada run 1 ditentukan dengan perhitungan:

Waktu tempuh fluida = 49,21 detik

Viskositas fluida = cP9356,021,49.0191,0 =



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


Penentuan Kecepatan Terminal (Ut) Percobaan Partikel

Kecepatan terminal percobaan dihitung dengan menggunakan persamaan :

hWaktutempu

asanPanjanglUt

int=

Contoh perhitungan kecepatan terminal yang dilakukan pada pengukuran pertama run 1 adalah:

ikcmik

cmUt det/37,13

det3,4

5,57==

Penentuan Kecepatan Terminal (Ut) Teoritik

Kecepatan terminal teoritik dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan antara gaya berat dan gaya seret yang terjadi pada sebuah partikel. Adapun perhitungan yang dilakukan pada run 1 adalah sebagai berikut:

Penentuan Ut tebakan = 0,01 m/s

Perhitungan Bilangan Reynold partikel

µ

ρ DpUt�

p

p

..Re, =

868,17

.0009654,0

000655,0./01,0./6,2633

Re,

3

Re,

=

=

p

p

�

sPa

msmmkg�

Perhitungan Drag Coefficient (Cd)

803,2

)868,17.15,01(868,17

24

).15,01(24

687,0

687,0

Re,

Re,

=

+=

+=

Cd

Cd

��

Cd p

p

Perhitungan nilai Ut teoritiik baru

smUt

mkg

smmkgmUt

Cd

gDpUt

f

fp

/070,0

/58,1011.803,2.3

/8,9./)58,10116,2633.(000655,0.4

..3

)..(.4

3

23

=

−=

−=

ρ

ρρ



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


Perhitungan diatas dilanjutkan dengan menggunakan Ut teoritik baru sebagai tebakan awal hingga nilai Ut teoritik baru yang didapatkan konstan.

Penentuan Rejim Aliran

Rejim aliran ditentukan dengan memperhatikan nilai bilangan reynold partikel. Adapun persamaan untuk menghitung bilangan Reynold partikel

adalah: µ

ρ DpUt�

p

p

..Re, =

Pada run 1 didapatkan nilai bilangan reynold partikel sebagai berikut:

2528,232

.0009654,0

000655,0./13,0./6,2633

Re,

3

Re,

=

=

p

p

�

sPa

msmmkg�

Nilai bilangan Reynold partikel yang didapatkan = 232,2528 sehingga rejim aliran yang terjadi adalah transisi (0,2<Nre,p<500).

Perhitungan Fraksi Produk dan Sisa Proses Pemisahan

Fraksi Produk

Massa umpan = 50gr

Massa cawan kosong =19,282gr

Massa cawan+produk = 52,434gr

Massa produk = 33,152gr

Fraksi produk = 66304,050

152,33==

gr

gr

massaumpan

kmassaprodu

Fraksi Sisa

Massa umpan = 50gr

Massa cawan kosong =18,125gr

Massa cawan+sisa = 28,608gr

Massa sisa = 10,483gr

Fraksi sisa = 20966,050

483,10==

gr

gr

massaumpan

massasisa

Fraksi hilang

Massa hilang = massa umpan – massa produk – massa sisa



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438


= 6,365gr

Fraksi hilang = 1273,050

365,6==

gr

gr

massaumpan

gmassahilan

Persen hilang = 0,1273.100%= 12,73%

V. Daftar Pustaka

Mc Cabe, Warren L. (1999). Unit Operations of Chemical Engineering. ed.4. New York : McGraw-Hill, hal. 139-160.

Geankoplis, Christie J. (1993). Transport Processes and Unit Operations. ed.3. New Jersey : Prentice Hall, hal.114-126.

coki.staff.gunadarma.ac.id/Downloads

http://www.freshpatents.com/-dt20090319ptan20090075847.php

Modul Fluidisasi Cairan

Documents

Transcript of Modul Fluidisasi Cairan