Modul Fluidisasi

Bahan Kuliah OTK-2 (Fluidisasi) 1

FLUIDISASI

Suhendrayatna Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala

Jalan Tgk. Syech Abdurrauf No. 7C, Darussalam – Banda Aceh, 23111 1. Pengertian Fluidisasi

Fluidisasi adalah metoda pengontakan butiran-butiran padatan dengan fluida baik cair maupun gas. Metoda ini diharapkan butiran padatan memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. 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 unggun diam atau fixed bed. Keadaan fluidisasi unggun diam tersebut ditunjukkan pada Gambar 1a.

Gambar 1 Skema unggun diam dan unggun terfluidakan

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. Pada kondisi butiran yang dapat bergerak ini, sifat unggun akan menyerupai suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya adanya kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. Sifat unggun terfluidisasi ini dapat dilihat pada Gambar 1b. 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 plastik 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.

Unggun diam (A)

Unggun terfluidakan

(B)


Gambar 2 Sifat Cairan dalam Unggun terfluidisasi

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. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 1a.

(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. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 1b.

(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. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 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 4.


Gambar 4 Fenomena bubbling fluidization

(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. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 Fenomena slugging fluidization

(6) Fenomena chanelling fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel

padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6 Fenomena chanelling fluidization

(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. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 7.


Fenomena-fenomena fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor: (1) laju alir fluida dan jenis fluida (2) ukuran partikel dan bentuk partikel (3) jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel (4) porositas unggun (5) distribusi aliran, (6) distribusi bentuk ukuran fluida (7) diameter kolom (8) tinggi unggun.

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

akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Karakteristik unggun terfluidakan digambarkan pada kurva karakteristik fluidisasi yang merupakan plot antara log U dan log ∆P. Persamaan yang digunakan adalah Persamaan Ergun dan Persamaan Wen Yu.

Proses fluidisasi biasanya dilakukan dengan cara mengalirkan fluida gas atau cair ke dalam kolom yang berisi unggun butiran-butiran padat. Pada laju alir yang kecil aliran hanya menerobos unggun melalui celah-celah/ ruang kosong antar partikel, sedangkan partikel-partikel padat tetap dalam keadaan diam. Kondisi ini dikenal sebagai fenomena unggun diam. Saat kecepatan aliran fluida diperbesar sehingga mencapai kecepatan minimum, yaitu kecepatan saat gaya seret fluida terhadap partikel-partikel padatan lebih atau sama dengan gaya berat partikel-partikel padatan tersebut, partikel yang semula diam akan mulai terekspansi, Keadaan ini disebut incipient fluidization atau fluidisasi minimum. Jika kecepatan diperbesar, akan terjadi beberapa fenomena yang dapat diamati secara visual dan pada kondisi inilah partikel-partikel padat memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi.

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: (1) sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat

secara kontinu dan memudahkan pengontrolan, (2) kecepatan pencampuran yang tinggi membuat reaktor selalu berada dalam kondisi

isotermal sehingga memudahkan pengendaliannya, (3) sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan

pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor, (4) perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass antara partikel cukup tinggi, (5) 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: (1) selama operasi partikel-partikel padat mengalami pengikisan sehingga

karakteristik fluidisasi dapat berubah dari waktu ke waktu, (2) butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya sejumlah

tertentu padatan, (3) adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin,


(4) 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.

2. Hilang Tekanan (Pressure Drop)

Aspek utama yang akan ditinjau adalah mengetahui besarnya hilang tekan (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. 2.1 Hilang Tekan dalam Unggun Diam

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 metoda-metoda 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 seperti berikut:

................................... (1) dimana:

∆P/L = hilang tekan per satuan panjang/ tinggi unggun gc = faktor gravitasi µ = viskositas fluida

ε = porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong di dalam unggun dengan volume unggun

u = kecepatan alir superfisial fluida S = luas permukaan spesifik partikel

Luas permukaan spesifik partikel (luas permukaan per satuan volume unggun) dihitung berdasarkan korelasi berikut:

................................. (2) sehingga persamaan tersebut menjadi:

............... (3) Atau


................... (4) dimana k adalah konstanta fludisasi dan k’=36 k (Tabel 1). Persamaan ini kemudian diturunkan lagi oleh Kozeny (1927) dengan mengasumsikan bahwa unggun zat padat tersebut adalah ekivalen dengan satu kumpulan saluran-saluran lurus yang paralel yang mempunyai luas permukaan dalam total dan volume dalam total masing-masing sama dengan luas permukaan luar partikel dan volume ruang kosongnya. Harga konstanta k’ diperoleh beberapa peneliti berbeda-beda seperti ditunjukkan pada Tabel 1 berikut:

Tabel 1 Konstanta Empirik Fluidisasi No. k’ Sumber 1 150 Kozeny (1927) 2 180 Carman (1937) 3 200 US Bureau of Mines (1951)

Untuk aliran turbulen, persamaan tersebut tidak dapat digunakan lagi sehingga Ergun menurunkan rumus yang lain (1952) dimana kehilangan tekanan digambarkan sebagai gabungan dari viscous losses dan kinetic energy loss.

........ (5) losses energy kinetic losses viscous

dimana k1 = 150 dan k2 = 1,75 Pada keadaan ekstrem, yaitu bila: a. aliran laminer (Re<20), kinetic energy losses dapat diabaikan, sehingga

......................... (6) b. aliran turbulen (Re>1000), viscous losses dapat diabaikan, sehingga:

................. (7) 2.2 Hilang Tekan pada Unggun Terfluidakan (Fluidized Bed)

Pada unggun terfluidakan, persamaan yang menggambarkan hubungan p/l dan u yang biasanya digunakan adalah persamaan Ergun, yaitu:


.......... (8) dimana εf adalah porositas unggun pada keadaan terfluidakan. Pada keadaan ini, dimana partikel-partikel zat padat seolah-olah terapung di dalam fluida sehingga terjadi kesetimbangan antara berat partikel dengan gaya seret dan gaya apung dari fluida di sekelilingnya:

[gaya seret oleh fluida yang naik] = [berat partikel]-[gaya apung] Atau

[hilang tekan pada unggun] x [luas penampang] = [volume unggun] x [fraksi zat padat] x [densitas zat padat – densitas fluida]

.............................. (9)

................................ (10) 3. Kecepatan Minimum fluidisasi

Yang dimaksud dengan kecepatan minimum fluidisasi (dengan notasi Umf) adalah kecepatan superfisial fluida minimum dimana fluidisasi mulai terjadi. harganya diperoleh dengan mengombinasikan persaman Ergun dengan persamaan neraca massa pada unggun terfluidakan, menjadi:

……… (11) Untuk keadaan ekstrem, yaitu: 1. aliran laminer (Re<20), kecepatan fluidisasi minimumnya adalah:

……………………….. (12)

2. aliran turbulen (Re>1000), kecepatan fluidisasi minimumnya adalah Beberapa persamaan lain untuk menghitung harga Umf dapat dilihat di dalam pustaka.


4 Karakteristik Unggun Terfluidakan Karakteristik unggun terfluidakan biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik

antara penurunan tekanan (∆P) dan kecepatan superfisial (u). Untuk keadaan yang ideal, kurva hubungan ini berbentuk seperti Gambar 8.

Gambar 8 Kurva karakteristik fluidisasi ideal

Garis A-B dalam grafik menunjukkan hilang tekan pada daerah unggun diam (porositas unggun = 0). Garis B-C menunjukkan keadaan dimana unggun telah terfluidakan. Garis D-E menunjukkan hilang tekan dalam daerajh unggun diam pada waktu menurunkan kecepatan alir fluida. Harga penurunan tekanannya, untuk kecepatan aliran fluida tertentu, sedikit lebih rendah dari pada harga penurunan tekanan pada saat awal operasi. Penyimpangan dari keadaan ideal 1. 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 (∆P) sesaat sebelum fluidisasi terjadi. Fenomena interlock ini dapat dilihat pada Gambar 9, terjadi pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi unggun terfluidakan. 2. Fluidisasi heterogen (aggregative fluidization)

Jenis penyimpangan yang lain adalah kalau pada saat fluidisasi partikel-partikel padat tidak terpisah-pisah secara sempurna tetapi berkelompok membentuk suatu agregat. Keadaan yang seperti ini disebut sebagai fluidisasi heterogen atau aggregative fluidization. Tiga jenis fluidisasi heterogen yang biasa terjadi adalah karena timbulnya: a. penggelembungan (bubbling), ditunjukkan pada Gambar 10a, b. penorakan (slugging), ditunjukkan pada Gambar 10b, c. saluran-saluran fluida yang terpisahkan (chanelling), ditunjukkan pada Gambar 10c,


Gambar 9 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock

(A) (B) (C)

Gambar 10 Tiga jenis agregative fluidization Bentuk kurva karakteristik untuk unggun terfluidakan yang mengalami penyimpangan dari keadaan ideal yang disebabakan oleh tiga jenis fenomena di atas dapat dilihat dalam pustaka (1) dan (3). 5. Evaluasi Parameter-Parameter dalam Peristiwa Fluidisasi 5.1 Densitas Partikel

Penentuan densitas partikel untuk zat padat yang tidak menyerap air atau zat cair lain bisa dilakukan dengan memakai piknometer. Sedangkan untuk partikel berpori, cara di atas akan menimbulkan kesalahan yang cukup besar karena air atau cairan akan memasuki pori-pori di dalam partikel, sehingga yang diukur bukan lagi densitas partikel (berikut pori-porinya) seperti yang diperlukan di dalam persamaan-persamaan yang ditulis di muka, tetapi densitas bahan padatnya (tidak termasuk pori-pori di dalamnya).

Untuk partikel-partikel yang demikian, ada cara lain yang biasa digunakan, yaitu dengan memakai metoda yang diturunkan Ergun. Prosedur percobaannya bisa dilihat di dalam pustaka 3 dalam Daftar Pustaka, di halaman 57 dan 58. 5.2 Bentuk Partikel

Di dalam persamaan-persamaan yang telah diturunkan sebelumnya partikel-partikel padatnya dianggap sebagai butiran-butiran yang berbentuk bola dengan diameter rata-rata dp. Untuk partikel-partikel yang mempunyai bentuk lain, harus


diadakan suatu koreksi yang menyatakan bentuk sebenarnya partikel yang ditinjau. Faktor koreksi ini disebut sebagai faktor bentuk atau derajat kebolaan suatu partikel yang didefinisikan sebagai:

.......... (14) Derajat kebolaan (θs) bisa dipakai langsung dalam persamaan-persamaan terdahulu dengan mengganti dp menjadi θs.dp, sehingga persamaan Ergun dapat ditulis menjadi:

.... (15) dimana θs = 1 untuk partikel berbentuk bola θs < 1 untuk partikel berbentuk bola 5.3 Diameter Partikel

Diameter partikel biasanya diukur berdasarkan analisa ayakan. Prosedur penentuan dan perhitungan bisa dilihat dalam pustaka ke-1 (dalam Daftar Pustaka) halaman 67 sampai 69 atau pustaka ke-3 (dalam Daftar Pustaka) halaman 61. Prosedur perhitungannya dapat dilihat pada Bagian V.4 Rancangan Percobaan, Contoh Data dan Langkah Perhitungan. 5.4 Porositas Unggun

Porositas unggun menyatakan fraksi kosong di dalam unggun yang secara matematik bisa ditulis sebagai berikut:

dimana ε = porositas unggun

Vu = volume unggun Vp = volume partikel

Harga porositas unggun ini sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri butiran padat yang membentuk unggun tersebut, atau dengan perkataan lain, porositas unggun merupakan fungsi dari faktor bentuk atau derajat kebolaan partikel-partikelnya. Salah satu hasil eksperimen yang menggambarkan pengaruh derajat kebolaan terhadap porositas unggun diberikan oleh Brown dan diperlihatkan pada Gambar 11. 6. Pendekatan dalam Percobaan

Pengukuran densitas partikel dilakukan menggunakan piknometer dengan valome tertentu dengan tipol sebagai fluidanya. Tipol digunakan karena memiliki tegangan permukaan dan viskositas tinggi sehingga cenderung tidak memasuki pori-pori partikel. Dengan demikian asumsu partikel padatan berbentuk bola dapat digunakan.


Kecepatan minimum fluidisasi dapat ditentukan secara grafis dan teoritis. Teknik grafis dapat dilakukan apabila tersedia kurva karakteristik fluidisasi. (antara log u terhadap log ∆P). Dengan menarik garis vertikal pada titik mulai konstannya log ∆P atau titik yang menunjukkan adanya fenomena interlock dapat diperpikrakan Umf. Karena fluktuasi nilai dibanding kurva fluidisasi ideal, perkiraan ini kurang akurat. Supaya Umf perkiraan mendekati nilai sebenarnya, penarikan garis pada titik konstan ∆P dilakukan saat kurva fluidisasi mengalurkan data kecepatan tinggi ke rendah. Diharapkan saat kecepatan menurun fenomena interlock dapat dikurangi. Interlock menyebabkan partikel menyatu (biasanya karena basah atau karena kelembaban udara) sehingga kecepatan udara yang dibutuhkan untuk memfluidisasikan partikel tersebut juga bertambah besar. Akibatnya umf yang teramati cenderung lebih tinggi daripada nilai sebenarnya.

Gambar 11 Hubungan antara derajat kebolaan partikel dengan porositas unggun 7. Perhitungan Laju Fluidisasi Teoritis Perhitungan laju fluidisasi terbagi atas perhitungan laju fluidisasi minimum (

'mfv ) untuk

mengangkat partikel-partikel pasir dan perhitungan fluidisasi maksimum ( 'v ) yang merupakan kecepatan maksimum fluidisasi bahan. 7.1 Fluidisasi Minimum Laju fluida gas untuk menghasilkan fluidisasi minimum dihitung dengan menggunakan persamaan yang dirumuskan oleh Wen dan Yu (10). Pendekatan Wen-Yu digunakan mengingat nilai fraksi kosong (ε) dan faktor sperik (Φ) bahan tidak diketahui. Dalam persamaan ini, nilai fraksi kosong (ε) dan faktor sperik (Φ) bahan didekati dengan menggunakan persamaan:

14

13≅

mfsεφ dan 11

132

≅−

mfs

mf

εφε

… (16) maka kecepatan minimum gas untuk mencapai fluidisasi adalah:


( ) ( )

7.330408,07,33

2/1

2

32 −

−+=

µρρρ

µρ gdud gsgpgmfp

… (17) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) 7.33109,1

8,9137,11004,2137,1102,70408,07,33

109,1

137,1102,72/1

25

3342

5

4

−

⋅−⋅⋅+=⋅

⋅−

−

−

−

mfu

7,33

1061,3

63,94910732,369,1135086,43

2/1

10

10

−

⋅

⋅+=−

−

mfU

s

mU mf 28583,0=

Jadi besar laju gas untuk mencapai fluidisasi minimum adalah 0,286 m/s. Jika partikel pasir didekati sebagai pasir bulat, dengan faktor sperik (Φ) sebesar 0,86 dan fraksi kosong (ε) sebesar 0,42 [Kunii, 1977], maka untuk partikel dengan ukuran 20-30 mesh dengan laju linier gas pada kolom pengering sebesar 3 m/s, dengan menggunakan persamaan Ergun diperoleh nilai Reynolds partikel sebesar:

g

ggpp

ud

µερ

×−

××=

)1(Re

5

4

10845,1)42,01(

13,13102,7Re

−

−

⋅×−

××⋅=p

86,421Re =p (regim transisi) Jadi regim aliran partikel termasuk dalam regim transisi. Jika dilakukan perbandingan antara laju gas aktual dengan laju gas minimum, diperoleh:

×=== 5,10

28583,0

3

mf

f

u

uk

Jadi laju gas operasi aktual 10,5 kali laju gas minimum fluidisasi. 7.2 Fluidisasi Maksimum Fluidisasi maksimum merupakan batas antara peristiwa terfluidisasinya partikel padatan dengan peristiwa terbawanya partikel padatan tersebut (conveying). Untuk bilangan Reynolds fluida gas (NRe,f) > 1000, digunakan persamaan empirik (9):

1

9'

≅mf

f

u

u

… (18) Maka laju gas pada fluidisasi maksimum sebesar: ( )mff uu ×≅ 9'

( )

s

mu f 574,2286,09' =×≅

Jadi besar laju fluida gas pada fluidisasi maksimum adalah 2,574 m/s. Jika dibandingkan dengan laju gas operasi aktual diperoleh:

s

ms

m

u

uk

f

f

574,2

3

'==


×= 165,1k Jadi operasi pengeringan dilakukan pada laju 1,165 kali laju gas pada fluidisasi maksimum. 7.3 Skema Kecepatan Linier Gas Pengering Dari perhitungan di atas dapat dibuat suatu skema laju gas pengering sebagai berikut:

0 1 2 30,286 2,574

fluidisasi minimumfluidisasi

maksimum operasi

laju linier gas pengering [m/s]

Gambar 12 Skema laju gas pengering

Modul Fluidisasi

Documents

Transcript of Modul Fluidisasi