MODUL PRAKTIKUM LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA FLUIDISASI [FLU]

(1)

FLUIDISASI

[FLU]

Disusun oleh: Henny Susanty Dr. Antonius Indarto Dr. Mubiar Purwasasmita Dr. Ardiyan Harimawan

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2014

(2)

FLU 2

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ... 2 DAFTAR GAMBAR ... 3 DAFTAR TABEL ... 4 BAB I PENDAHULUAN ... 5

BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN... 6

2.1 Tujuan Percobaan ... 6

2.2 Sasaran Percobaan ... 6

BAB III RANCANGAN PERCOBAAN ... 7

3.1 Peralatan Percobaan ... 7

3.2 Bahan Percobaan ... 10

BAB IV PROSEDUR KERJA ... 11

4.1 Penentuan Densitas Partikel ... 11

4.2 Kalibrasi Rotameter dengan Wet Test Meter... 13

4.3 Operasi Peralatan Fluidisasi SOLTEQ ... 13

4.4 Operasi Peralatan Fluidisasi Gas ... 14

DAFTAR PUSTAKA ... 16

LAMPIRAN ... 17

A. TABEL DATA MENTAH ... 17

B. PROSEDUR PERHITUNGAN ... 19

(3)

FLU 3

DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.1 Skema Peralatan Fluidisasi Sistem Padat-Gas ... 7

Gambar 3.2 Skema Peralatan Fluidisasi SOLTEQ ... 8

Gambar 3.3 Skema Peralatan Fluidisasi Cair ... 9

Gambar 4.1 Diagram Alir Penentuan Densitas ... 12

Gambar 4.2 Diagram Alir Kalibrasi Rotameter ... 13

(4)

FLU 4

DAFTAR TABEL

Tabel 6.1 Densitas dan Viskositas Air ... 21 Tabel 6.2 Densitas dan Viskositas Udara ... 21 Tabel 6.3 Diameter Ayakan ... 21

(5)

FLU 5

BAB I

PENDAHULUAN

1

Fluidisasi adalah metode pengontakan butiran-butiran padat dengan fluida, baik cair maupun gas. Butiran padat akan mengalami total gaya akibat fluida apabila terjadi gerak relatif antara permukaan butiran dan fluida. Pada laju alir fluida yang cukup rendah, aliran fluida hanya menerobos unggun butiran padat melalui celah antar partikel tanpa menyebabkan perubahan susunan partikel (keadaan fixed bed). Ketika laju alir fluida ditingkatkan hingga kecepatan tertentu, unggun butiran padat yang semula diam akan terekspansi. Pada kondisi demikian, sifat unggun akan menyerupai fluida dengan viskositas tinggi, misalnya adanya kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. Keadaan ini disebut sebagai fluidisasi minimum. Pada laju alir fluida tinggi, partikel padat dapat terbawa aliran fluida dan meninggalkan kolom.

Fenomena fluidisasi dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor, diantaranya laju alir dan jenis fluida, ukuran dan densitas partikel, bentuk dan jenis partikel, faktor interlok partikel, porositas dan tinggi unggun, distribusi aliran dan bentuk ukuran fluida, dan diameter kolom. Faktor-faktor tersebut merupakan variabel dalam proses fluidisasi yang akan menentukan karakteristik proses fluidisasi. Karakteristik unggun terfluidakan dapat digambarkan dengan kurva karakteristik fluidisasi.

Dalam dunia industri, fluidisasi diaplikasikan dalam berbagai hal. Diantaranya dalam transportasi serbuk padatan (converyor untuk solid), pencampuran padatan halus, perpindahan panas (seperti pendinginan untuk biji 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. Fluidisasi cair merupakan salah satu operasi pemisahan yang digunakan untuk memisahkan partikel spheris dan non-spheris. Partikel spheris memiliki penggunaan yang luas dalam industri, terutama dalam industri perminyakan untuk menjaga agar gesekan antara mata bor dan permukaan batuan tetap minimum.

(6)

FLU 6

BAB II

TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN

2

2.1 Tujuan Percobaan

Praktikum ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan karakteristik proses fluidisasi gas dan cair

2.2 Sasaran Percobaan

Berkaitan dengan tujuan tersebut, pada akhir praktikum, praktikan diharapkan dapat : 1. Menentukan kecepatan minimum fluidisasi gas,

2. Menentukan fenomena yang terjadi pada proses fluidisasi gas,

3. Menentukan besarnya hilang tekan unggun serta hubungannya laju alir fluida,

4. Menentukan variabel-variabel yang berpengaruh terhadap hidrodinamika unggun terfluidakan,

5. Menentukan kecepatan partikel serta laju alir superfisial cairan pada keadaan terminal fluidisasi cair,

6. Menentukan laju alir superfisial fluidisasi minimum untuk fluidisasi cair, dan 7. Menentukan efisiensi pemisahan pada fluidisasi cair.

(7)

FLU 7

BAB III

RANCANGAN PERCOBAAN

3

3.1 Peralatan Percobaan

Peralatan utama yang digunakan selama praktikum ini meliputi : 1. Satu set peralatan fluidisasi sistem padat-gas (Gambar 3.1) 2. Satu set peralatan fluidisasi SOLTEQ (Gambar 3.2)

3. Satu set peralatan fluidisasi fasa cair (Gambar 3.3) 4. Sumber fluida bertekanan beserta kompresor

Gambar 3.1 Skema Peralatan Fluidisasi Sistem Padat-Gas Keterangan: D : distributor KD : kerangan diafragma KER : kerangan KJ : kerangan jarum KOL : kolom

M1 : manometer tabung Bourdon untuk mengukur tekanan gas keluar M2 : manometer tabung Bourdon untuk mengukur tekanan dalam tangki TGN : sumber fluida bertekanan

(8)

FLU 8 MU2 : manometer pipa U berisi air untuk mengukur tekanan gas antara 1-udara luar

R : flowmeter

U : unggun butiran padat

Gambar 3.2 Skema Peralatan Fluidisasi SOLTEQ

Deskripsi alat :

1. Tangki penampung air (B1) 2. Pompa sirkulasi (P1)

3. Kolom fluidisasi (K1 dan K2)

4. Water differential pressure transmitter (DPT 101) 5. Air differential pressure transmitter (DPT 102) 6. Pengukur laju alir digital (FT 201 dan FT 202) 7. Kompresor (P2)

Kode alat Deskripsi Satuan Rentang data

FT 201 Water flow meter L/min 0,2-2,5

FT 202 Air flow meter L/min 2-50

DPT 101 Water differential pressure transmitter bar 0-0,1 DPT 102 Air differential pressure transmitter kPa 0-5

(9)

FLU 9 Keterangan

P : pompa

Kol : kolom fluidisasi

Par : partikel

FO : aliran keluaran

GtV : gate valve

GbV : globe valve (by pass)

GbO : globe valve (pembuangan)

Gambar 3.3 Skema Peralatan Fluidisasi Cair

Peralatan pendukung yang digunakan antara lain sebagai berikut.

1. Wet test meter untuk kalibrasi flowmeter dalam rangkaian peralatan fluidisasi sistem padat-gas 2. Piknometer 3. Timbangan 4. Stopwatch 5. Ayakan 6. Gelas kimia 7. Gelas ukur 8. Termometer

9. Penggaris dan/atau jangka sorong 10. Sendok

(10)

FLU 10 3.2 Bahan Percobaan

Bahan yang digunakan dalam percobaan ini meliputi : 1. Aqua dm

2. Aseton 3. Tipol 4. Air keran

5. Udara bertekanan

(11)

FLU 11

BAB IV

PROSEDUR KERJA

4

Pelaksanaan praktikum dapat dibagi menjadi 2 tahap, yaitu tahap persiapan dan tahap operasi. 1. Tahap persiapan, meliputi

a. Penentuan densitas partikel padatan dengan piknometer b. Penentuan densitas dan viskositas fluida cair

c. Penentuan dimensi kolom dengan penggaris atau jangka sorong d. Penentuan ukuran partikel padatan dengan analisa ayakan

2. Tahap operasi, meliputi

a. Penentuan turun tekan dalam kolom berisi unggun partikel pada berbagai laju alir serta pengamatan terhadap fenomena yang terjadi pada fluidisasi gas b. Penentuan kecepatan minimum fluidisasi gas dan cair

c. Penentuan efisiensi pemisahan fluidisasi gas

Laju alir fluida divariasikan dari kecepatan rendah hingga suatu keadaan dimana penorakan di dalam unggun sudah tampak menyolok. Dari titik ini laju alir fluida kemudian diturunkan kembali secara perlahan-lahan hingga mencapai titik terendah dimana operasi dimulai.

4.1 Penentuan Densitas 4.1.1 Kalibrasi Piknometer

1. Piknometer kosong yang bersih ditimbang

2. Piknometer diisi dengan aqua dm hingga meluap, kemudian ditimbang 3. Suhu aqua dm diukur dengan termometer

4. Densitas aqua dm pada temperatur tersebut dicari dari literatur

5. Volume piknometer ditentukan berdasarkan massa aqua dm dan densitas aqua dm berdasarkan literatur

4.1.2 Penentuan Densitas Cairan

(12)

FLU 12 2. Piknometer kosong ditimbang

3. Air keran dimasukkan dalam piknometer hingga meluap, kemudian ditimbang sehingga diperoleh massa air keran

4. Densitas air keram ditentukan berdasarkan massa tipol dan volume piknometer

4.1.3 Penentuan Densitas Padatan

1. Piknometer yang sama dicuci dengan aseton dan dikeringkan 2. Piknometer kosong ditimbang

3. Tipol dimasukkan dalam piknometer hingga meluap, kemudian ditimbang sehingga diperoleh massa tipol

4. Densitas tipol ditentukan berdasarkan massa tipol dan volume piknometer 5. Piknometer yang sama dicuci dan dikeringkan,

6. Piknometer diisi dengan partikel padatan hingga setengah penuh dan ditimbang sehingga diperoleh massa partikel

7. Piknometer diisi dengan tipol hingga penuh kemudian ditimbang untuk mengetahui massa tipol dalam campuran partikel dan tipol

(13)

FLU 13 4.2 Penentuan Viskositas Fluida Cair

1. Masukkan aqua dm dalam viskometer 2. Hitung waktu untuk menepuh jarak tertentu 3. Ulangi untuk air keran

4.3 Kalibrasi Rotameter dengan Wet Test Meter

1. Kolom fluidisasi dipastikan kosong dan seluruh selang terhubung dengan baik.

2. Kompresor dihubungkan ke rotameter dan selang dari aliran gas dihubungkan ke alat wet test meter.

3. Skala rotameter diubah-ubah dari 0 sampai 6

4. Waktu untuk wet test meter menunjukkan skala 1 liter diukur dengan stopwatch.

Ukur diameter kolom Hitung luas penampang kolom Hubungan kompresor, rotameter, dan wet

test meter

Alirkan udara tekan

Catat waktu untuk 1 liter

Hitung laju alir

Variasikan skala rotameter dari 0

hingga 6

Buat kurva laju alir terhadap skala

rotameter

Gambar 4.2 Diagram Alir Kalibrasi Rotameter

4.4 Operasi Peralatan Fluidisasi SOLTEQ 4.4.1 Prosedur Operasi Umum

Prosedur Start-Up

1. Isi tangki penampung air B1 dengan air bersih. 2. Pindahkan penutup kolom secara hati-hati.

3. Isi kolom dengan sampel sampai ketinggian tertentu.

4. Tutup kembali penutup kolom secara hati-hati. Pastikan o-rings terpasang dengan baik.

5. Tempatkan kolom pada penahan dan kencangkan baut pengait. Setelah itu pastikan kolom nya kokoh.

(14)

FLU 14 Prosedur Shut-Down

1. Matikan kedua pompa (P1 dan P2).

2. Kosongkan kolom (K1) dan tangki penampung air (K2) 3. Bersihkan sampel dari peralatan.

4. Putus sambungan listrik ke alat.

4.4.2 Penentuan Karakteristik Fluidisasi

Fluidisasi sistem padat-cair

1. Isi kolom dengan partikel padat hingga ketinggian tertentu 2. Sambungkan rangkaian selang

3. Pastikan kolom K1 terisi air dan tidak ada gelembung dalam selang

4. Nyalakan pompa P1 dan atur bukaan valve FT201 untuk mengatur laju alir 5. Catat laju alir dan pembacaan water differential pressure transmitter (DPT 101) 6. Amati fenomena yang terjadi selama proses fluidisasi

7. Ulangi untuk variasi lain

Fluidisasi sistem padat-gas

3. Pastikan semua valve tertutup rapat

4. Nyalakan kompresor P2 dan atur bukaan valve FT202 untuk mengatur laju alir 5. Catat laju alir dan pembacaan air differential pressure transmitter (DPT 102) 6. Amati fenomena yang terjadi selama proses fluidisasi

7. Ulangi untuk variasi lain

4.5 Operasi Peralatan Fluidisasi Gas 4.5.1 Penentuan Karakteristik Fluidisasi

3. Buka valve dan nyalakan kompresor 4. Atur skala rotameter

5. Catat skala rotameter dan beda tinggi pada manometer

(15)

FLU 15

Partikel padat dengan diameter

dan densitas tertentu

Isi dalam kolom fluidisasi dengan ketinggian tertentu

Catat beda tinggi pada manometer atau pembacaan DPT01/DPT02

Alirkan fluida Atur laju alir fluida

Tentukan nilai turun tekan

teramati

Catat laju alir

Hitung turun tekan unggun Buat kurva karakteristik fluidisasi (log ΔP terhadap log u) Amati fenomena yang terjadi

Gambar 4.3 Diagram Alir Penentuan Karakteristik Fluidisasi

4.5.2 Penentuan Kecepatan Minimum Fluidisasi

1. Masukkan partikel ke dalam kolom berisi fluida yang mengalir 2. Atur laju alir sedemikian sehingga pertikel melayang dalam aliran air

4.6 Operasi Peralatan Fluidisasi Cair

4.6.1 Penentuan Efisiensi Pemisahan Fluidisasi Cair

1. Aliri kolom dengan fluida, hitung waktu untuk mengisi volume tertentu sehingga diperoleh laju alir

2. Isi kolom dengan campuran partikel (komposisi tertentu)

3. Alirkan fluida dengan kecepatan tertentu (konstan) dengan waktu pemisahan tertentu 4. Pisahkan produk atas, timbang

5. Buka valve buangan, saring produk bawah yang keluar, timbang

4.6.2 Penentuan Kecepatan Terminal Partikel

1. Masukkan partikel ke dalam kolom berisi air

2. Laju air diatur sedemikian sehingga waktu tempuh partikel untuk jarak yang sama selalu konstan

4.6.3 Penentuan Kecepatan Superficial Minimum Fluidisasi Cair

3. Masukkan partikel ke dalam kolom berisi air yang mengalir

4. Valve diatur sedemikian sehingga pertikel melayang dalam aliran air 5. Hitung waktu untuk mengisi volume tertentu sehingga diperoleh laju alir

(16)

FLU 16

5 DAFTAR PUSTAKA

Geankoplis, Christie. 1993. Transport processes and Unit Operation, New Jersey : Prentice Hall

Fee, C.J., 1994. A Simple but Effective Fluidized-Bed Experiment, Chem. Eng. Educ. pp. 214-217

Kunii, D., and Levenspiel, O. 1991. Fluidization Engineering, Boston : Butterworth-Heinemann,

(17)

FLU 17

6 LAMPIRAN

A

.

TABEL DATA MENTAH

1. Penentuan densitas dan viskositas Kalibrasi

Massa piknometer kosong gram

Massa piknometer + aqua dm gram

Temperatur ºC

Penentuan densitas air keran

Massa piknometer + air keran gram

Penentuan densitas partikel

Massa piknometer + tipol gram

Massa piknometer + partikel gram

Massa piknometer + partikel + tipol gram

Penentuan viskositas air keran

Waktu tempuh aqua dm detik

Waktu tempuh air keran detik

2. Kalibrasi rotameter

Diameter kolom cm

(18)

FLU 18 3. Penentuan Karakteristik Fludisasi Gas

Peralatan Fluidisasi SOLTEX Variasi :

Laju alir (L/min) ΔP (Pa) L(cm) Fenomena teramati

up down up down up down up down

Peralatan Fluidisasi Gas Variasi :

Skala rotameter Δh (Pa) L(cm) Fenomena teramati

up down up down up down up down

4. Penentuan Kecepatan Superficial Minimum Fluidisasi Cair

Data Skala rotameter

1 2 3

5. Penentuan Efisiensi Pemisahan Fluidisasi Cair

Komposisi Massa (gram) Volum air (L) waktu (s)

Umpan produk atas produk bawah

6. Penentuan Kecepatan Terminal Partikel

Data Jarak (cm) Waktu (s)

1 2 3

(19)

FLU 19 7. Penentuan Kecepatan Superficial Minimum Fluidisasi Cair

Data Volume (L) Waktu (s)

1 2 3

B. PROSEDUR PERHITUNGAN

1. Penentuan diameter partikel

2 2 1 p p p d d d  

dengan dp1 dan dp2 merupakan ukuran mesh, dimana mesh yang lebih kecil

meloloskan partikel sedangkan mesh yang lebih besar tidak.

2. Penentuan densitas partikel

maqua dm = [m piknometer + aqua dm] – m piknometer kosong

V𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 =

𝑚 _{𝑎𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑚} 𝜌_{𝑎𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑚}

mtipol = [m pikno + tipol] – mpikno kosong

Vtipol = Vpiknometer

𝜌𝑡𝑖𝑝𝑜𝑙 =

𝑚_{𝑡𝑖𝑝𝑜𝑙} 𝑉_{𝑡𝑖𝑝𝑜𝑙}

m partikel = [m piknometer + partikel] – m piknometer kosong

m tipol = [m piknometer + partikel+ tipol] – m piknometer + partikel

𝑉𝑡𝑖𝑝𝑜𝑙 =

𝑚_{𝑡𝑖𝑝𝑜𝑙} 𝜌_{𝑡𝑖𝑝𝑜𝑙}

V partikel = V piknometer – V tipol

𝜌_{𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑘𝑒𝑙} = 𝑚𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑘𝑒𝑙 𝑉𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑘𝑒𝑙

3. Penentuan viskositas air keran 𝜇 = 𝜇𝑜

𝜌 𝑡 𝜌𝑜𝑡𝑜

(20)

FLU 20 4. Kalibrasi rotameter A_kolom = 1 4𝜋 𝑑𝑘𝑜𝑙𝑜𝑚2 laju alir (v) = 𝑉 𝐴_{𝑘𝑜𝑙𝑜𝑚}. 𝑡

5. Penentuan void fraction

Vunggun = Apenampang x L Vpartikel = m_p ρp

ε =

Vunggun− Vpartikel Vunggun

6. Penentuan bilangan Reynold 𝑅𝑒𝑚𝑓 = 𝜌_𝑓 𝑥 𝑢_𝑚𝑓 𝑥 𝑑_𝑝 𝜇𝑓 Asumsi Wen Yu 3 1 2 ₂ 2 . . . ( ) [ ( 3 3 , 7 ) 0 , 0 4 0 8 ] 3 3 , 7 p m f g p g s g d U  d    g      