Ranti Fabrianne (11)
Rizqi Pandu Sudarmawan (0906557045) Stella Lydia (11)
Yan Aulia Ardiasnyah (12)
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Indonesia Jurusan Teknik Kimia
Depok 2013
Unit Operasi Teknik I
Fluidisasi
Oleh
Kelompok 21 Teknik Kimia
DAFTAR ISI
Bab 1. Pendahuluan………
Bab 2. Tinjauan Pustaka………
Bab 3. Alat & Prosedur Percobaan………
Bab 4. Data Perhitungan & Grafik………
Bab 5. Analisa & Kesimpulan………
Daftar Pustaka………
1 1.1 Pendahuluan
Fluidisasi adalah suatu fenomena berubahnya sifat suatu padatan (bed) dalam suatu reaktor menjadi bersifat seperti fluida dikarenakan adanya alir fluida ke dalamnya baik berupa liquid maupun gas. Fluidisasi akan dapat terjadi apabila gaya dorong fluida lebih besar dari gaya berat unggun. Sementara itu fluidisasi minimum terjadi apabila gaya dorong atau gaya seret fluida sama dengan gaya berat unggun.
Fluidisasi berhubungan dengan proses industri kimia yang cukup vital, misalnya dalam proses katalisasi maupun dalam proses pemurnian gas. Dan biasanya aplikasinya adalah untuk proses yang menggunakan fixed bed, fluidized bed sampai proses transport. Proses fluidisasi ini memiliki beberapa hal penting yang patut diperhatikan, seperti jenis dan tipe fluidisasi dan aplikasinya dalam industri serta spesivikasi dan cara kerja alatnya.
Aplikasi fluidisasi dalam proses industri sangat banyak dan dimulai pada tahun 1926 untuk Gasifier Winkler berskala besar. Diikuti oleh 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). Sementara fluidisasi kontinyu banyak dimanfaatkan untuk memindahkan padatan dari satu tempat ke tempat lain dalam sebuah pabrik pengolahan.
Salah satu alasan unggun terfluidisasi memiliki aplikasi yang luas adalah karakteristik transfer panasnya yang sangat baik. Hal ini didukung kuat oleh berubahnya sifat dari unggun tersebut menjadi seperti fluida sehingga transfer panas yang terjadi adalah transfer panas konveksi. Dengan demikian partikel yang memasuki unggun terfluidisasi segera mencapai temperatur unggun dan partikel dalam unggun bersifat isothermal pada semua situasi. Gas yang memasuki unggun juga akan segera mencapai temperatur unggun. Hampir tidak adanya variasi temperatur dalam unggun yang terfluidisasi dikarenakan pencampuran merata dan area kontak yang luas antara gas dan partikel.
Jadi kita sebagai mahasiswa departemen teknik kimia merasa perlu untuk mempelajari fluidisasi dan aspek aplikasinya dalam industri. Karena pada proses yang berhubungan dengan
katalisasi ataupun hal yang erat kaitanya dengan perlakuan gas-solid, liquid-solid, fluidisasi berperan penting dalam proses tersebut.
1.2 Tujuan Percobaan
Percobaan ini dilakukan dengan tujuan sbb.:
1. Mengamati perilaku partikel unggun (bed) yang mengalami fluidisasi.
2. Menyelidiki hubungan antara ketinggian unggun dengan laju alir atau kecepatan superfisial.
3. Menyelidiki hubungan antara kecepatan superfisial dengan proses fluidisasi dan perpindahan panas.
4. Menyelidiki hubungan antara proses perpindahan panas dan posisi heater.
5. Menyelidiki pengaruh kecepatan superfisial terhadap temperatur di dalam unggun dan temperatur di atas unggun.
6. Menganalisa representasi hubungan antara bilangan Reynold dan bilangan Nusselt terhadap kecepatan superfisial dan proses perpindahan panas yang terjadi.
1.3 Prinsip Kerja
Mengalirkan fluida udara terkompresi pada bed dengan laju alir, suhu, dan posisi heater yang divariasikan untuk melihat pengaruhnya pada peristiwa fluidisasi dan perpindahan panas yang terjadi.
1 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Konsep Fluidisasi
Apabila terdapat suatu aliran fluida baik cair maupun gas yang melewati partikel unggun yang berada dalam suatu tabung, maka aliran tersebut akan memberikan suatu gaya dorong atau gaya seret (drag force) pada partikel, sehingga partikel tersebut akan terangkat dan menyebabkan hambatan terhadap aliran udara semakin mengecil sehingga menimbulkan kehilangan tekanan (pressure drop) sepanjang partikel unggun, dimana peristiwa ini biasa disebut dengan peristiwa fluidisasi.
Ketinggian unggun akan berubah seiring dengan perubahan laju alir udara. Semakin besaar laju alir udara, maka akan semakin besar ketinggian unggun. Pada laju alir udara yang rendah, perubahan ketinggian unggun tidak begitu berarti bahan akan cenderung konstan walaupun laju alir udara bertambah.
Konsep dasar dari suatu partikel unggun yang terfluidisasi dapat diilustrasikan dengan fenomena yang terjadi jika adanya perubahan laju alir gas seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 1. Fenomena fluidisasi dengan variasi laju alir gas
Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar berikut ini.
Fenomena di atas dapat dijelaskan melalui persamaan Bernoulli dengan aliran laminer sebagai berikut, yaitu:
3 2
2
) (
) 1 ( 150
p s
D
x
F V dan PgzF
Pada gambar di atas 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.
3 2
2
) (
) 1 ( 150
p s
D
x
P V
Maka 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 3.
1
akan berprilaku 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 3. Transisi dari packed bed ke fluidized bed
2.2. Jenis-jenis Fluidisasi 2.2.1. Fluidisasi Partikulat
Adalah suatu proses fluidisasi di mana partikel-partikel bergerak menjauh satu sama lain dan gerekannya bertambah hebat dengan bertambahnya kecepatan. Tetapi, densitas hamparan rata-rata pada suatu kecepatan tertentu adalah sama di segala arah hamparan. Ciri dari proses ini adalah adanya ekspansi hamparan yang cukup besar tetapi seragam pada kecepatan yang cukup tinggi. Seiring dengan bertambahnya kecepatan fluida dan penurunan tekanan, maka unggun akan terekspansi dan pergerakan partikel semakin cepat. Jalan bebas rata-rata suatu partikel di antara tumbukan-tumbukan dengan partikel lainnya akan bertambah besar dengan meningkatnya kecepatan fluida. Akibatnya porositas unggun akan meningkat.
2.2.2. Fluidisasi Agregat/ Fluidisasi Gelembung
Hamparan zat padat yang terfluidisasi dalam udara biasanya menunjukkan peristiwa yang dikenal dengan fludisasi agregat atau gelembung. Fluidisasi ini terjadi jika kecepatan gas di atas kecepatan fluidisasi minimum. Pada kondisi ini unggunakan mengalami bubbling dan rongga- rongga seperti gelembunguap akan membangkitkan sirkulasi partikel unggun.
Dalam fluidisasi gelembung pengembangan volume hamparan terutama disebabkan oleh volume yang dipakai oleh gelembung gas karena fasa rapat pada umumnya tidak berekspansi dengan peingkatan aliran. Akan tetapi jika kecepatan ditambah maka hamparan akan mengembang secara seragam sehingga akhirnya gelembung mulai terbentuk. Dan jika kecepatan ditingkatkan lagi sampai melewati titik gelembung, hamparan itu akan berangsur-angsur mengempis kembali, tetapi akan mengembung lagi.
Dalam fluidisasi agregat fluida akan membuat gelembung pada padatan unggun dalam tingkah laku yang khusus. Gelembung fluida akan meningkat melalui unggun dan pecah pada permukaan unggun dan akan terjadi splashing di mana partikel unggun akan bergerak atas.
Seiring dengan meningkatnya kecepatan fluida, perilaku gelembung akan bertambah besar.
Kriteria untuk fluidisasi partikulat dan agregat dapat ditentukan dengan bilngan Froude : v2/(gDp) yang dipakai untuk menentukan apakah suatu sistem akan terfluidisasi partikulat atau terfluidisasi agregat.
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.
1 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 (dsv).
pi i sv
d
d 1x
di mana; 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. 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.
v sv
d
d
Material yang melingkar seperti katalis dan pasir bulat memiliki nilai sphericity sebesar 0.9 atau lebih.
d. 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:
2 / 1
3
) (
4
d g
g p p
t C
U gd
Dalam aliran laminer dan mengikuti Hukum Stokes:
p
Cd
Re
24
g
p p
U
d Re
Jadi, kecepatan terminal untuk partikel tunggal berbentuk bulat adalah
18
) ( p g p2
t
d
U g
untuk Rep < 0.4
Dan untuk partikel besar dengan Cd = 0.43
2 /
) 1
( 1 , 3
g p g p t
U gd
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 (Uselip) 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
