BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Fluidisasi adalah suatu fenomena berubahnya sifat suatu padatan ( bed ) dalam suatu reaktor menjadi bersifat seperti fluida dikarenakan adanya aliran fluida ke dalamnya, baik berupa liquid maupun gas. Jika suatu aliran udara melewati partikel unggun yang ada dalam tabung, maka aliran tersebut akan memberikan gaya seret (drag force) pada partikel dan menimbulkan pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan naik jika kecepatan superficial naik.
Kecepatan superfisial adalah laju alir udara pada kolom yang kosong, sedangkan kecepatan interstitial adalah kecepatan udara di antara partikel unggun. Pada kecepatan superfisial rendah, ungun mula-mula diam. Jika kecepatan superfisial dinaikkan maka pada suatu saat gaya seret fluida menyebabkan unggun mengembang dan menyebabkan tahanan terhadap aliran udara mengecil, sampai akhirnya gaya seret tersebut cukup untuk mendukung gaya berat partikel unggun. Hal ini menyebabkan unggun terfluidisasi dan sistem solid-fluida menunjukkan sifat-sifat seperti fluida. Kecepatan superfisial terendah yang dibutuhkan agar terjadi fluidisasi disebut minimum fluidization velocity ( Umf ). Fluidisasi berhubungan dengan banyak proses industri kimia, misalnya dalam proses katalisasi maupun dalam proses pemurnian gas. Proses fluidisasi ini memiliki beberapa hal penting yang harus diperhatikan, seperti jenis dan tipe fluidisasi, aplikasi dalam industri serta spesifikasi dan cara kerja alatnya.
Aplikasi fluidisasi dalam proses industri sangat banyak. Hal ini dimulai pada tahun 1926 untuk Gasifier Winkler berskala besar lalu 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).
Selain itu, fluidisasi kontinu banyak dimanfaatkan dalam pabrik pengolahan untuk memindahkan padatan dari satu tempat ke tempat lain.
Dalam praktikum kali ini mahasiswa akan melakukan percobaan fluidisasi ini sehingga mahasiswa dapat mengetahui apa itu fluidisasi, faktor- faktor yang mempengaruhi fluidisasi serta kelebihan dan kekurangan dari fluidisasi tersebut bila diaplikasikan ke dalam bidang perindustrian.
I.2. Tujuan Percobaan
Adapun tujuan dari percobaan ini adalah:
1. Menentukan kurva karakteristik fluidisasi, yaitu kurva yang menggambarkan hubungan ∆P unggun dengan U
2. Menentukan kecepatan fluidisasi minimum
3. Mengetahui fenomena-fenomena yang terjadi selama operasi fluidisasi berlangsung secara visual.
I.3. Problem Percobaan
1. Pada manometer, sering kemasukan pasir yang menyebabkan atau mempengaruhi perubahan tekanan sehingga pasir harus dibersihkan dahulu.
2. Pada unggun, banyak terdapat kotoran atau lumut sehingga akan mempengaruhi laju alir fluida.
I.4. Metode Percobaan
Pada percobaan fluidisasi yang harus dilakukan pertama kali oleh praktikan adalah meminjam alat kepada petugas labolatorium, alat yang dipinjam adalah antara lain: gelas ukur, stop watch, ember. Kemudian mengukur tinggi unggun dan kemudian mengisi tangki air sebanyak 4/5 bagian dan dijaga konstan isi air tersebut. Setelah langkah ketiga, kemudian buka kran bawah dan kran atas. Setelah terbuka nyalakan pompa . Lalu buka kran tengah. Setelah kran tengah terbuka tinggi unggun diukur dan laju alir, pressure drop diukur juga serta amati fenomena yang terjadi.
Setelah langka diatas, ulangi dengan variasi pada kran tengah.
I.3. Manfaat Percobaan
1. Dapat mengetahui cara kerja dari fluidisasi
2. Dapat mengetahui fenomena-fenomena yang terjadi pada saat percobaan 3. Dapat mengetahui cara kerja alat manometer.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Fenomena Fluidisasi
Jika suatu aliran udara melewati suatu partikel unggun yang ada dalam tabung, maka aliran tersebut akan memberikan gaya seret ( drag force ) pada partikel dan memberikan pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan naik jika kecepatan superficial naik ( kecepatan superficial adalah kecepatan aliran jika tabung kosong ).
Pada kecepatan superficial rendah, unggun mula-mula diam. Jika kecepatan superficial dinaikkan maka pada suatu saat gaya seret fluida menyebabkan unggun mengembang dan tahanan terhadap aliran udara mengecil, sampai akhirnya gaya seret tersebut cukup untuk mendukung gaya berat partikel unggun dan unggun akan terfluidisasi.
Sementara itu, pressure drop akan tetap walaupun kecepatan superficial terus dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun persatuan luas.
Kecepatan superficial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi disebut Minimum Fluidization Velocity ( Umf ).
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:
Gambar II.1.1. Fenomena fluidisasi dengan variasi laju alir gas
Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar berikut ini:
Gambar II.1.2. 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.
Gambar II.1.3. Fenomena fixed bed
2. Fenomena minimum or incipient fluidization, terjadi ketika laju alir fluida mencapai laju alir minimum yang dibutuhkan untuk proses fluidisasi. Pada kondisi ini partikelpartikel padat mulai terekspansi. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar.
Gambar II.1.4. 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 homogeny sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar.
Gambar II.1.5. 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.
Gambar II.1.6. 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.
Gambar II.1.7. Fenomena slugging fluidization
6. Fenomena chanelling fluidization, terjadi ketika dalam unggun partikel padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar.
Gambar II.1.8. 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.
Gambar II.1.9. 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
h. Tinggi unggun.
Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Selain itu, fenomena pada gambar II.1.2. dapat dijelaskan melalui persamaan Bernoulli dengan aliran laminer sebagai berikut, yaitu:
Pada gambar II.1.2., 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 sebagai berikut:
( 2 )
Bila Vs meningkat, є 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 є. Adapun hubungan ∆x, ∆P dan kecepatan aliran fluida dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
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.
Gambar II.1.1. Grafik Transition from packed bed to fluidized bed Selama fluidisasi, penurunan tekanan sepanjang unggun akan tetap walaupun kecepatan superfisial terus dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun persatuan luas:
( 3 ) dimana: m = massa partikel
ρp = densitas partikel Sb = luas area unggun ρf = densitas fluida
g = percepatan gravitasi
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, diantaranya:
Benda yang lebih ringan akan mengapung di atas unggun ( yaitu benda- benda yang densitasnya lebih kecil daripada densitas bulk unggun )
Permukaan akan tetap horizontal bahkan dalam unggun yang miring
Solid dapat mengalir melalui bukaan di kolom sama seperti liquid
Unggun memiliki tekanan statis karena gravitasi, nilainya sebesar ρogh
Ketinggian antara dua unggun terfluidisasi yang serupa sama dengan tekanan statik mereka.
II.2. Jenis-Jenis Fluidisasi II.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
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.
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 ):
( 4 )
II.2.2. Fluidisasi Agregat / Fluidisasi Gelembung
Unggun yang difluidisasikan dengan udara biasanya menunjukkan fluidisasi agregat. Pada kecepatan superfisial yang jauh melebihi Umf, kebanyakan gas akan melewati unggun sebagai gelembung atau rongga- rongga kosong yang tidak berisikan zat padat dan hanya sebagian kecil gas yang mengalir dalam saluran-saluran yang 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
