35

Click here to load reader

Makalah Unggun Diam

Embed Size (px)

DESCRIPTION

hghgjjhj

Citation preview

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang maha Esa berkat rahmat hidayahnya kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan baik, yang bertujuan sebagai salah satu cara yang dibutuhkan untuk memenuhi tugas mata kuliah MEKANIKA FLUIDA.Politeknik merupakan wadah bagi mahasiswa untuk selalu mengembangkan kemampuan atau skillnya. Pendidikan bermutu tinggi sangat dibutuhkan demi terciptanya kehidupan yang cerdas, damai tebuka, demokratis dan mampu bersaing di era global ini sehingga mampu meningkatkan kualitas mahasiswa. Melalui politeknik dengan metode pembelajaran yang sangat efektif dan efisien ini diharapkan mahasiswa mampu menambah kesadaran nilai yang dianut, dan dapat meningkatkan kualitasnya sebagai manusia yang bermutu serta berkualitas.Untuk itu di susunlah sebuah makalah yang berjudul Fluidisasi. Sebagai penyusun makalah ini kami juga sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari seluruh pembaca terutama dari dosen kami yang turut bertanggung jawab dalam peningkatan mutu pendidikan nasional, dan penyempurnaan makalah ini.

Surabaya, 25 Desember 2013

Penyusun

BAB IPENDAHULUAN

I.1Latar BelakangFluidisasi 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. Perkembangan industri dewasa ini telah mengalami kemajuan yang sangat pesat. Khususnya industri pabrik yang telah banyak menggunakan teknologi modern. Mesin-mesin produksi yang digunakan dalam sebuah industry menggunakan metode-metode pengoperasian yang sangat bervariasi. Salah satu contoh metode yang digunakan adalah fluidisasi. Untuk itu kami menyusun sebuah makalah tentang fluidisasi yang bertujuan untuk memberikan pelajaran pengetahuan, dan pemahaman tentang fluidisasi. Fluidisasi itu sendiri adalahproses yang sama dengan pencairan dimana bahan butiran dikonversi dari solid state seperti statis ke keadaan cairan seperti dinamis. Proses ini terjadi ketika sebuah fluida (cairan atau gas) dilewatkan ke atas melalui bahan granular.Dalam dunia industri, fluidisasi diaplikasikan dalam banyak hal seperti transportasi serbukpadatan (conveyor untuk solid), pencampuran padatan halus, perpindahan panas (seperti pendinginanuntuk bijih alumina panas), pelapisan plastik pada permukaan logam, proses drying dan sizing padapembakaran, proses pertumbuhan partikel dan kondensai bahan yang dapat mengalami sublimasi,adsorpsi (untuk pengeringan udara dengan adsorben), dan masih banyak aplikasi lain.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.Unggun terfluidisasi memiliki aplikasi yang luas karena karakteristik perpindahan panasnya yang sangat baik. Hal ini didukung oleh berubahnya sifat dari unggun tersebut menjadi seperti fluida sehingga perpindahan panas yang terjadi adalah secara konveksi. Dengan demikian, partikel dan gas yang memasuki unggun terfluidisasi segera mencapai suhu unggun dan partikel dalam unggun bersifat isotermal pada semua situasi. Keadaan isotermal ini disebabkan oleh pencampuran yang merata dan area kontak yang luas antara gas dan partikel. Jadi, kita sebagai mahasiswa Teknik Kimia perlu mempelajari fluidisasi karena pada proses yang berhubungan dengan katalisasi ataupun hal yang erat kaitanya dengan perlakuan gas-solid dan liquid-solid, fluidisasi sangat diperlukan.

BAB IPENDAHULUAN

I.1Latar BelakangFluidisasi 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. Perkembangan industri dewasa ini telah mengalami kemajuan yang sangat pesat. Khususnya industri pabrik yang telah banyak menggunakan teknologi modern. Mesin-mesin produksi yang digunakan dalam sebuah industry menggunakan metode-metode pengoperasian yang sangat bervariasi. Salah satu contoh metode yang digunakan adalah fluidisasi. Untuk itu kami menyusun sebuah makalah tentang fluidisasi yang bertujuan untuk memberikan pelajaran pengetahuan, dan pemahaman tentang fluidisasi. Fluidisasi itu sendiri adalahproses yang sama dengan pencairan dimana bahan butiran dikonversi dari solid state seperti statis ke keadaan cairan seperti dinamis. Proses ini terjadi ketika sebuah fluida (cairan atau gas) dilewatkan ke atas melalui bahan granular.Dalam dunia industri, fluidisasi diaplikasikan dalam banyak hal seperti transportasi serbukpadatan (conveyor untuk solid), pencampuran padatan halus, perpindahan panas (seperti pendinginanuntuk bijih alumina panas), pelapisan plastik pada permukaan logam, proses drying dan sizing padapembakaran, proses pertumbuhan partikel dan kondensai bahan yang dapat mengalami sublimasi,adsorpsi (untuk pengeringan udara dengan adsorben), dan masih banyak aplikasi lain.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.Unggun terfluidisasi memiliki aplikasi yang luas karena karakteristik perpindahan panasnya yang sangat baik. Hal ini didukung oleh berubahnya sifat dari unggun tersebut menjadi seperti fluida sehingga perpindahan panas yang terjadi adalah secara konveksi. Dengan demikian, partikel dan gas yang memasuki unggun terfluidisasi segera mencapai suhu unggun dan partikel dalam unggun bersifat isotermal pada semua situasi. Keadaan isotermal ini disebabkan oleh pencampuran yang merata dan area kontak yang luas antara gas dan partikel. Jadi, kita sebagai mahasiswa Teknik Kimia perlu mempelajari fluidisasi karena pada proses yang berhubungan dengan katalisasi ataupun hal yang erat kaitanya dengan perlakuan gas-solid dan liquid-solid, fluidisasi sangat diperlukan.

BAB IITINJAUAN PUSTAKABAB IIPEMBAHASAN

II.1Pengertian Unggun Diam

Fluidisasi merupakan salah satu cara untuk mengontakkan butiran padat dengan fluida. Apabila kecepatan fluida relative rendah, unggun tetap diam karena fluida hanya mengalir melalui ruang antar partikel tanpa menyebabkan terjadinya perubahan susunan partikel tersebut ( pada unggun diam, gambarII.1.a ). Apabila kecepatan fluida dinaikkan sedikit demi sedikit, pada saat tertentu penurunan tekanan akan sama dengan gaya berat yang bekerja terhadap butiran-butiran padat sehingga unggun mulai bergerak. Ini terjadi pada titik A ( gambarII.2 ). Unggun mengembang, pororsitas bertambah, tetapi butiran-butiran masih saling kontak satu sama lain. Selanjutnya penurunan tekanan tidak securam pada OA. Sampai titik B butiran-butiran masih saling kontak tetapi telah berada dalam keadaan saling lepas.

GambarII.1Unggun diam (a), unggun mendidih atau terfluidisasi paton (b) dan unggun terfluidakan kontinyu / berkesinambungan (c)

GambarII.2Penurunan tekanan dalam unggun padatan1.Unggun diam2.Daerah peraliran / intermediate3.Fluidisasi batch4.Fluidisasi kontinyu

Peningkatan kecepatan selanjutnya akan menyebabkan butiran-butiran terpisah lepas satu sama lain sehingga bias bergerak dengan lebih mudah ( unggun tersuspensi dalam aliran fluida yang melewatiya ) dan mulailah unggun terfluidakan ( titik F ). Butiran-butiran bergerak terus kearah sembarang tetapi masih dalam batas tinggi tertentu ( gambarII.1.b ). Isi tabung menyerupai cairan mendidih dan diberi istilah unggun mendidih. Setelah mencapai ketinggian tertentu, butiran-butiran akan jatuh kembali. Hanya partikel paling halus terbawa aliran fluida ( entrainment tidak berarti ) ini disebut fluidisasi batch. Mulai dari titik F, penurunan tekanan terhadap kecepatan lebih kecil dibandingkan dengan penurunan tekanan pada unggun diam.Pada kondisi butiran yang mobil ini. Sifat unggun akan menyerupai sifat suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya ada kecendrungan untuk mengalir, mempunyai sifatdan sebagainya (gambarII.3 ).

Gambar II.3Sifat menyerupai cairan dari unggun terfluidisasi

Atas dasar sifat-sifat diatas, maka unggun ini kemudian disebut unggun terfluidakan atau fluidized bed.-Dalam system padat-cair, kenaikan kecepatan air sampai diatas fluidisasi minimum akan menyebabkan pengembangan unggun yang halus dan progresif (terus menerus). Dalam hal ini ketidak stabilan aliran keseluruhan relative kecil dan tidak terjadi pembentukkan gelembung yang cukup besar. Unggun yang berkelakuan seperti ini sering disebut unggun fluidisasi cair (liquid fluidized bed) atau unggun fluidisasi homogeny.-System padat-gas berkelakuan sangat berbeda. Pada kenaikan laju alir gas dibawah fluidisasi minimum sudah terjadi pembentukan gelembung dan saluran (chanelling) gas, dan gerakkan padatan menjadi lebih tidak beraturan. System seperti ini disebut unggun fluidisasi agregatif atau unggun fluidisasi gas.Kedua macam fluidisasi tersebut dapat digolongkan kedalam fluidisasi fase padat (ketinggian unggun masih berada pada batas tertentu).Pada laju alir fluida yang sanga tinggi (melebihi P), kecepatan akhir (ut) menjadi sangat besar, sehingga batas atas unggun akan hilang (total entrainment/butiran padatan terbawa aliran fluida), porositas mendekati 1. Keadaan ini disebut fluidisasi berkesinambungan (gambar 1.1.c) yang merupakan aliran 2 fase.

Penggunaan operasi fluidisasi didalam industry1.Proses fisika: transprtasi, penukar panas, pengeringan, pencampuran serbuk halus, pelapisan bahan plastik pada permukaan logam, pengecilan/pembesaran partikel dan adsorpso.2.Proses kimia:oksidasi etilena, pembuatan anhidrida ftalat, cracking hidrokarbon dan lain-lain.

Di dalam pemakaiannya, unggun terfluidakan mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan unggun diam, antara lain :1.Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat secara kontinu2.Kecepatan pencampuran padatan yang tinggi menyebabkan reactor selalu berada pada kecepatan isothermal, sehingga memudahkan pengendaliannya.3.Perpindahan massa dan panas antara fluida dan padatan lebih baik dibandingkan dengan unggun diam.4.Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang mempunyai luas permukaan lebih kecil.5.Memungkinkan operasi dalam skala besar.

Beberapa kerugian pemakaian unggun terfluidakan :1.Selama operasi partikel-partikel padat mengalami pengikisan sehingga karakteristik fluidisasi bias berubah dari waktu ke waktu.2.Butiran halus akan terbawa aliran fluida sehingga mengakibatkan kehilangan sejumlah tertentu padatan.3.Terjadinya erosi terhadap bejana dan system pendingin oleh partikel padatan.4.Terjadinya gelembung dan kekosongan local didalam unggun seringkali tidak bisa dihindarkan. Peristiwa ini mengakibatkan kontak antara fluida dengan padatan tidak merata sehingga konversi reaksi menjadi kecil.5.Pencampuran padatan yang terlau cepat akan mengakibatkan ketidak seragaman waktu tinggal padatan didalam reactor. Untuk proses kontinu, hasil yang didapatkan tidak seragam dan konversi rendah, khususnya untuk tingkat konversi yang tinggi. Sedangkan untuk proses batch, pencampuran ini menguntungkan karena diperoleh hasil yang seragam. Untuk reaksi katalitik, gerakan partikel katalis berpoti yang menangkap dan membebaskan molekul gas pereaksi secara kontinu akan menambah pencampuran ulang sehingga menurunkan hasil.

II.2 Porositas MinimumSejak unggun mulai mengembang (gambarII.2, titik A), porositas bertambah dengan bertambahnya kecepatan (lihat gambarII.4). Porositas naik secara liniear dengan logaritma kecepatan.

Gambar II.1 : porositas unggun Vs log kecepatan1.Daerah unggun statis2.Daerah peralihan3.Daerah fluidisasi batch4.Daerah fluidisasi kontinyu

II.1Fenomena FluidisasiJika 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 1. Fenomena fluidisasi dengan variasi laju alir gas

Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar berikut ini:

P2

x

Bed

P1

Gas in

Gambar 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 3.

Gambar 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 partikel-partikel padat mulai terekspansi. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4 Fenomena minimum or incipient fluidization3. 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 5.

Gambar 5. Fenomena smooth or homogrnously fluidization

4. Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembunggelembung pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 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 7.

Gambar 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 8.

Gambar 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 9.

Gambar 9. Fenomena disperse fluidization

Fenomena-fenomena fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut:a. Laju alir fluida dan jenis fluidab. Ukuran partikel dan bentuk partikelc. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikeld. Porositas unggune. Distribusi aliran,f. Distribusi bentuk ukuran fluidag. Diameter kolomh. Tinggi unggun.

Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Selain itu, fenomena pada gambar 2 dapat dijelaskan melalui persamaan Bernoulli dengan aliran laminer sebagai berikut, yaitu:

dan PgzFPada gambar 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 sbb:

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 10. 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 10. 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:

dimana:m = massa partikelp = densitas partikelSb = luas area unggunf = densitas fluidag = percepatan gravitasiJika 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), 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 ogh, Ketinggian antara dua unggun terfluidisasi yang serupa sama dengan tekanan statik mereka.

II.2 Jenis-jenis Fluidisasi

II.2.1. Fluidisasi PartikulatDalam 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):

II.2.2. Fluidisasi Agregat/ Fluidisasi GelembungUnggun 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 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 gelembungub = 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, , yaitu rasio antara kinetik dengan energi gravitasi merupakan salah satu kriteria penentu jenis fluidisasi apa yang terjadi. (Foust, 1959:643)II.2.3. Fluidisasi KontinuBila 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)Ketika laju alir fasa fluida melewati kecepatan terminal partikel, unggun terfluidisasi akan kehilangan identitasnya karena partikel solid terbawa dalam aliran fluida. Metoda pengangkutan ini sering digunakan dalam industri, biasanya dengan udara sebagai fasa fluida, antara lain untuk mengangkut produk dari pengering semprot (spray dryers). Keuntungan metoda ini adalah kehilangan yang terjadi sedikit, prosesnya bersih, dan kemampuannya untuk memindahkan sejumlah besar 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.

II.3Sifat dan Karakteristik Partikel Ungguna. Ukuran partikelPadatan 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 bidangb. Densitas padatanPadatan 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. Penurunan tekananPenurunan 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 :PLpggcSalah 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:P/L= hilang tekan per satuan panjang/ tinggi unggungc = faktor gravitasi = viskositas fluida = porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong didalam unggun dengan volume unggunu = kecepatan alir superfisial fluidaS = luas permukaan spesifik partikeld. SphericitySphericity merupakan faktor bentuk yang dinyatakan sebagai rasio dari area permukaan volume partikel bulat yang sama dengan partikel itu dibagi dengan area permukaan partikel.

Material yang melingkar seperti katalis dan pasir bulat memiliki nilai sphericity sebesar 0.9 atau lebih.e. Kecepatan Fluidisasi Minimum (Umf)Kecepatan fluidisasi minimum adalah kecepatan superficial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi. Umf dapat dicari dengan menggunakan persamaan Umf = [(1135.7+0.0408Ar)0.5-33.71]/(gdp)Di mana bilangan Archimides (Ar) adalah :Ar = gdp3(pgg/2Untuk memprediksi Umf, Ergun menurunkan suatu korelasi dengan cara menyamakan pressure drop pada saat Umf dengan berat unggun persatuan luas dan diperoleh persamaan sebagai berikut.

Suku pertama persamaan Ergun dominan untuk aliran laminer sedangkan suku kedua dominan pada aliran turbulen. Pengukuran Umf dapat diperoleh dari grafik P vs Umf, yaitu sesuai titik potong atau antara bagian kurva yang datar seperti yang digambarkan pada gambar 10.f. Kecepatan terminalKecepatan 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

untuk Rep < 0.4Dan untuk partikel besar dengan Cd = 0.43

untuk Rep > 500Persamaan 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 =nn merupakan fungsi dari dp/D dan bilangan Re yang divariasikan dari 2.4-4.7 (Kirk Othmer, 1994:144).g. Batas partikelPartikel 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 bergerakh. Gaya antar partikelGaya 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.i. Daerah batas fluidisasi (fluidization regimes)Pada kecepatan gas rendah, suatu padatan dalam tabung unggun akan berada pada kondisi konstan seiring dengan bertambahnya kecepatan gas, gaya seret, dan 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.

II.4Kelebihan dan Kekurangan Teknik FluidisasiKelebihan dari teknik fluidisasi adalah:1. 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.2. Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat secara kontinu dan memudahkan pengontrolan.3. Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas permukaan kecil.4. Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass antara partikel cukup tinggi.5. Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor.

Kekurangan dari teknik fluidisasi adalah:1. 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.2. Tenaga untuk memompa fluida sehingga terjadi fluidisasi harus besar untuk unggun yang besar dan dalam.3. Ukuran dan tipe partikel yang dapat digunakan dalam teknik ini terbatas.4. Karena sifat unggun terfluidisasi yang kompleks, seringkali terjadi kesulitan dalam mengubah skala kecil menjadi skala industri.5. Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.6. Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya sejumlah tertentu padatan.

II.5 Perilaku Gelembung pada Ketinggian unggunII.5.1. Perilaku GelembungGelembung yang lebih besar cenderung naik lebih cepat dibanding gelembung yang kecil sehingga antar gelembung akan terjadi tumbukan dan bergabung (coalescence) dan gelembung semakin bertambah besar. Dinding tabung juga mempengaruhi gerekan gelembung sehingga gelembung cenderung bergerak ke arah dalam unggun.Gelembung terjadi dalam kebanyakan unggun yang terfluidisasi dan peranannya sangat penting karena akibat laju dari perubahan massa atau energi di antara gas dan padatan dalam unggun. Gelembung terbentuk dalam unggun yang terfluidisasi dari ketidakstabilan sistem 2 fasa. Pengontrolan ukuran gelembung dapat diperoleh dengan mengontrol distribusi ukuran partikel atau dengan meningkatkan kecepatan gas.Mengacu pada teori gelembung dua fasa dan fluidisasi, semua gas yang dibutuhkan untuk fluidisasi minimum melewati unggun dalam proses pembentukan gelembung. Gelembung meningkat melalui unggun dalam 2 kondisi yang berbeda. Gelembung yang meningkat secara padat dapat terjadi pada kecepatan gas kurang dari Umf dan hal ini memberikan kesempatan untuk gas melewati partikel unggun dan sirkuit pendek melalui gelembung menuju ke permukaan unggun.Kecepatan suatu gelembung yang bertambah besar melalui fluida unggun dinyatakan dalam rumus:Uhr = 0.71(gDb)0.5Jika terjadi slugging, berlaku persamaanUhr = Uslug = 0.35(gD)0.5

Jadi kecepatan aktual peningkatan gelembung dalam unggun yang terfluidisasi dinyatakan dengan rumus:Ub = (U-Umf)+Ubr

II.5.2. Ketinggian unggunTinggi unggun dapat diplot terhadap kecepatan superficial. Untuk kecepatan superficial tinggi permukaan berfluktuasi karena pecahnya gelembung di permukaan sehingga ketinggian unggun hanya dapat diukur dengan perkiraan.

II.6 Sifat-sifat Perpindahan Panas Unggun TerfluidisasiUnggun 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 (kecuali paertikel halus yang sangat kohesif), mekanisme utama adalah adanya sirkulasi antara bulk unggun dan partikel yang berdekatan denghan permukaan panas (Particle Convective Mechanism). Partikel mampu mentransfer banyak panas karena mempunyai kapasitas panas pada saat awal partikel berdekatan dengan permukaan panas, terdapat gradien suhu lokal yang besar yaitu adanya perbedaan suhu yang besar antara bulk unggun dengan permukaan sehingga laju perpindahan panas sangat besar. Akan tetapi, semakin lama suhu unggun semakin mendekati suhu permukaan. Jadi untuk selang waktu tertentu laju transfer panas semakin tinggi jika pertikel bersinggungan dengan permuikaan panas dalam recident time yang singkat yang dapat diperoleh dengan mengatur kondisi operasi. Tetapi harus diingat bahwa recident time yang ekstrim kecil untuk memeroleh koefisien perpindahan panas yang paling tinggi dibatasi oleh konduktivitas panas gas dan jarak jalur transfer panas terpendek di mana panas mengalir secara konduksi antara partikel unggun dan permukaan panas.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.Perpindahan kalor ke permukaan dalam sistem padat-gas koefisien perpindahan panas ke permukaannya sangat tergantung pada kualitas fluidisasi yang terjadi (Coulson, 1968:215). Untuk menghitung koefisien perpindahan panas tersebut dapat digunakan persamaan Dow dan Jacob berikut.

dimana: h = koefisien perpindahan panas k = konduktivitas termal gas D = diameter partikel Dt = diameter tube L = panjang unggun = kekosongan unggun sdensitas padatandensitas gas Cs = kapasitas panas padatan Cp = kapasitas panas gas pada tekanan konstanviskositas gasUc = kecepatan superficial dalam tube kosong

II.7. Penyimpangan dari Keadaan Ideal (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 11, terjadi pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi unggun terfluidakan.

UmfGambar 11. Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock.