BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian FluidisasiFluidisasi adalah metoda pengontakan butiran-butiran padat dengan fluida baik cair maupun gas. Dengan metoda ini diharapkan butiran-butiran padat 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 A.
A B
Gambar 2.1 Skema unggun diam (A) dan unggun terfluidakan (B)
untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. Sifat unggun terfluidisasi ini dapat dilihat pada Gambar B.
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.
Gambar 2.2 Sifat cairan dalam unggun terfluidisasi
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:
Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar berikut ini:
Gambar 2.4 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 2.5.
Gambar 2.5 Fenomena fixed bed
ini partikel-partikel padat mulai terekspansi. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 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 2.7.
Gambar 2.7 Fenomena smooth or homogrnously fluidization
Gambar 2.8 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 2.9.
Gambar 2.9 Fenomena slugging fluidization
Gambar 2.10 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 2.11.
Gambar 2.11 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
Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Selain itu, fenomena pada gambar 2.4 dapat dijelaskan melalui persamaan Bernoulli dengan aliran laminer sebagai berikut, yaitu:
F=150Vsμ(1−ε)
2Δx
(Dp)2ε3ρ dan
Pada gambar 2.4, 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 ΔP pada sepanjang unggun dapat dinyatakan dengan persamaan sbb:
−ΔP=150Vsμ(1−ε)
2Δx
(Dp)2ε3
Bila Vs meningkat, ε meningkat dan ΔP dijaga agar konstan. Dalam hal ini Δx
juga akan meningkat, akan tetapi pengaruh dari kenaikan Δx ini lebih kecil dibandingkan pengaruh yang ditimbulkan oleh perubahan ε. Adapun hubungan Δx,
ΔP dan kecepatan aliran fluida dapat dilihat pada gambar 2.12.
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.
Selama fluidisasi, penurunan tekanan sepanjang unggun akan tetap walaupun kecepatan superfisial terus dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun persatuan luas:
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),
Ketinggian antara dua unggun terfluidisasi yang serupa sama dengan tekanan statik mereka.
2.2.1 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):
2.2.2 Fluidisasi Agregat/ Fluidisasi Gelembung
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:
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, v
2
Dpg
, 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)
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
2.3.1 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).
dimana: dp = diameter partikel rata-rata yang secara umum digunakan untuk desain
dsv = diameter dari suatu bidang
2.3.2 Densitas padatan
Padatan dapat dibedakan menjadi 3 bagian berdasarkan densitasnya yaitu
bulk, skeletel, dan particle. Densitas bulk merupakan pengukuran berat dari
2.3.3 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 :
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 :
dimana:
m = 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 2.3.4 Sphericity
Sphericity merupakan faktor bentuk yang dinyatakan sebagai rasio dari area permukaan volume partikel bulat yang sama dengan partikel itu dibagi dengan areapermukaan partikel.
Material yang melingkar seperti katalis dan pasir bulat memiliki nilai sphericity
sebesar 0.9 atau lebih.
2.3.5 Kecepatan Fluidisasi Minimum (Umf)
Kecepatan fluidisasi minimum adalah kecepatan superficial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi. Umf dapat dicari dengan menggunakan persamaan
Umf = m [(1135.7+0.0408Ar)0.5-33.71]/(r
gdp)
Di mana bilangan Archimides (Ar) adalah :
Ar = r gdp 3(r p-r g) g/m 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.
Umf, yaitu sesuai titik potong atau antara bagian kurva yang datar seperti yang digambarkan pada gambar 2.10.
2.3.6 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:
Dalam aliran laminer dan mengikuti Hukum Stokes:
Jadi, kecepatan terminal untuk partikel tunggal berbentuk bulat adalah
Dan untuk partikel besar dengan Cd = 0.43
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 (Uselip) atau kecepatan efektif
terminal untuk partikel dalam suspense (U*t) adalah:
Kekosongan f(e ) dari unggun yang terfluidisasi adalah fraksi mol yang terjadi oleh gas. Fungsi t dapat dinyatakan dengan pendekatan Kozeny-Charman berikut.
f(ε ) = 0.1 ε 2/(1- ε )
Pendekatan lain yang digunakan untuk sistem banyak fasa yaitu korelasi Richardson- Zaki untuk partikel tunggal dalam suspensi, yaitu:
U/Ut = ε n
n merupakan fungsi dari dp/D dan bilangan Re yang divariasikan dari 2.4-4.7 (Kirk
Othmer, 1994:144). 2.3.7 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
2.3.8 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.
2.3.9 Daerah batas fluidisasi (fluidization regimes)
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 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
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.
dimana: h = koefisien perpindahan panas k = konduktivitas termal gas
Cs = kapasitas panas padatan
Cp = kapasitas panas gas pada tekanan konstan m = viskositas gas
Uc = kecepatan superficial dalam tube kosong
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.
Gambar 2.13 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock
2.6.1 Kelebihan dan Kekurangan Teknik Fluidisasi Kelebihan dari teknik fluidisasi adalah:
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.
Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas permukaan kecil.
Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass antara partikel cukup tinggi.
Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor
Kekurangan dari teknik fluidisasi adalah:
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.
Tenaga untuk memompa fluida sehingga terjadi fluidisasi harus besar untuk unggun yang besar dan dalam.
Ukuran dan tipe partikel yang dapat digunakan dalam teknik ini terbatas. Karena sifat unggun terfluidisasi yang kompleks, seringkali terjadi kesulitan
dalam mengubah skala kecil menjadi skala industri. Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.
