BAB VII PRESSURE DROP PADA FLUIDISASI

Fluidisasi merupakan salah satu cara untuk mengontakkan butiran padat dg fluida. Apabila kecepatan fluida relatif rendah, unggun tetap diam krn fluida hanya mengalir melalui ruang antar partikel tanpa menyebabkan terjadinya perubahan susunan partikel tsb (pada unggun diam, gambar 8.1.a). Apabila kecepatan fluida dinaikkan sedikit demi sedikit, pada saat tertentu penurunan tekanan akan sama dg gaya berat yg bekerja thd butiran – butiran padat shg unggun mulai bergerak. Ini terjadi pada titik A (gambar 8.2). Unggun mengembang, porositas bertambah, tetapi butiran – butiran masih kontak satu sama lain. Selanjutnya penurunan tekanan tidak securam OA. Sampai titik B butiran – butiran masih saling kontak tetapi telah berada dalam keadaan keadaan saling lepas.

Gambar 8.1 Unggun diam (a), unggun mendidih atau fluidisasi batch (b) dan unggun terfluidakan kontinu/berkesinambungan (c)

Gambar 8.2 Penurunan tekanan dalam unggun padatan1) Unggun diam ; 2) daerah peralihan /

intermediate,3)Fluidisasi batch ; 4) fluidisasi kontinyu

Peningkatan kec selanjutnya akan menyebabkan butiran – butiran terpisah lepas satu sama lain shg bisa bergerak lebih mudah (unggun tersuspensi dalam aliran fluida yg melewatinya) dan mulailah yg dinamakan unggun terfluidakan (titik F). Butiran – butiran bergerak terus kearah sembarang tetapi masih dalam batas tinggi tertentu (gambar 8.1.b). Isi tabung menyerupai cairan mendidih dan diberi istilah “unggulan mendidih”. Setelah mencapai ketinggian tertentu butiran – butiran akan jatuh kembali. Hanya partikel paling halus terbawa aliran fluida . Ini disebut fluidisasi batch. Mulai dari F, penurunan tekanan terhadap kecepatan lebih kecil dibandingkan dengan penurunan tekanan pada unggun diam.

Pada kondisi butiran yang mobile, sifat unggun akan menyerupai sifat suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya ada kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya (gambar 8.3)

Gambar 8.3 Sifat menyerupai cairan dari unggun terfluidisasi

Atas dasar sifat – sifat diatas maka unggun ini kemudian disebut unggun terfluidakan atau “fluidized bed”.

Dalam sistem padat-cair, kenaikan kecepatan air sampai diatas fludisasi minimum akan menyebabkan pengembangan unggun yg halus dan progresif (terus menerus). Dalam hal ini ketidakstabilan aliran keseluruhan relatif kecil dan tidak tjd pembentukan gelembung yg cukup besar. Unggun spt ini sering disebut unggun fluidisasi cair (liquid fluidized bed) atau unggun fluidisasi homogen .

Sistem padat gas berkelakuan sangat berbeda. Pada kenaikan laju alir gas dibawah fluidisasi minimum sudah terjadi pembentukan gelembung dan saluran (chanelling) gas, dan gerakan padatan mjd lebih tidak beraturan. Sistem seperti ini disebut unggun fluidisasi agregatif atau unggun fluidisasi gas.

Kedua macam fluidisasi tersebut digolongkan kedalam fluidisasi fasa padat (ketinggian unggun masih berada pada batas tertentu).

Pada laju alir fluida yang sangat tinggi (melebih P), kecepatan akhir (ut) menjadi sangat besar, sehingga batas atas unggun akan hilang (total entrainment/butriran padatan terbawa aliran fluida), porositas mendekarti 1. keadaan ini disebut fluidisasi berkesinambungan (gambar 8.1.c) yang merupakan aliran dua fasa)

Penggunaan operasi fluidisasi di dalam industri Proses fisika: transportasi, penukar panas, pengeringan, pencampuran serbuk halus, pelapisan bahan plastik pada permukaan logam, pengecilan/pembesaran partikel dan adsorpsi.Proses kimia : oksidasi etilena, pembuatan anhidrida ftalat, cracking hidrokarbon dan lain – lain.

Di dalam pemakaiannya, unggun terrfluidakan mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan unggun diam, antara lain :

1. Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat secara kontinu

2. Kecepatan pencampuran padatan yang tinggi menyebabkan reaktor selalu berada pada keadaan isotermal, sehingga memudahkan pengendaliannya.

3. Perpindahan massa dan panas antara fluida dan padatan lebih baik dibandingkan dengan unggulan diam.

4. Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindahan 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 bisa berubah dari waktu ke waktu

2. Butiran halus akan terbawa aliran fluida sehingga mengakibatkan kehilangan sejumlah tertentu padatan.

3. Terjadinya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin oleh partikel padatan.

4. Terjadinya gelembung dan kekosongan lokal didalam unggun seringkali tak bisa dihindarkan. Peristiwa ini mengakibatkan kontak antara fluida dengan padatan tidak merata sehingga konveksi reaksi menjadi kecil.

5. Pencampuran padatan yang terlalu cepat akan mengakibatkan ketidakseragaman waktu tinggal padatan didalam reaktor. Untuk proses kontinu, hasil yang didapatkan tidak seragam dan konversi rendfah, khususnya tingkat konversi yang tinggi. Sedangkan untuk batch pencampuran ini menguntungkan karena diperoileh hasil yang seragam. Untuk reaksi yang katalik, gerakan partikel katalis berpori yang menangkap dan membebaskan molekul gas pereaksi secara kontinu akan menambah pencampuran ulang sehingga menurunkan hasil.

Porositas Minimum

Sejak mulai unggun mengembang (gambar 8.2, titik A), porositas bertambah dengan bertambahnya kecepatan (lihat gambar 8.4). Porositas naik secara linier dengan logaritma kecepatan.

Gambar 8.4 Porositas unggun vs log kecepatan1) daerah unggun statis, 2) daerah peralihan2) daerah fluidisasi batch kontinu, 4) daerah fluidisasi

Kecepatan pada waktu mulainya fluidisasi disebut kecepatan kritis dan porositas unggun pada saat itu disebut porositas minimum untuk fluidisasi, εMf

Porositas minimum bergantung pada ukuran dan bentuk butiran. Biasanya εMf makin kecil dengan makin besarnya butiran. Harga – harga porositas minimum untuk berbagai bahan dapat diketahui dari percobaan – percobaan. Karena tidak ada data untuk satu jenis bahan, εMf dapart diperkirakan dengan rumus empiris berikut (untuk Dp 50 s/d 500 mikron)

εMf = 1 – 0, 356 {log Dp – 1} (8 – 1)

Dp = diameter butiran, mikron

Berikut adalah tabel porositas pada kondisi fluidisasi minimum :

Tabel 8.1 Porositas pada kondisi flluidisasi minimum

Size (mm)

Pactiles (Bentuk Part) 0. 02 0. 05 0.07 0.20 0.30 0.40

Sharp sand = 0,67

Round sand = 0,86

Mixed round sand

Coal and glass powder

Anthracite coal = 0,63

Absorption carbon

Fischer-Tropsch catalyst,

= 0, 58

Carborundum

-

-

-

0.72

-

0.74

-

-

0.60

0.56

-

0.67

0.62

0.72

-

0.61

0.59

0.52

0.42

0.64

0.61

0.71

-

0.59

0.54

0.44

0.41

0.57

0.56

-

0.56

0.48

0.50

0.42

-

0.56

0.53

-

0.55

-

0.49

-

-

-

0.51

-

-

-

Tinggi Unggun

Apabila kecepatan fluida makin besar, unggun akan makin mengembang, porositas bertambah dan volume unggun bertambah. Bila penampang tabung tetap, maka porositas merupakan fungsi dari tinggi unggun L. L0 adalah tinggi unggun bila porositas nol (berarti unggun berupa gumpalan zat padat tidak berpori). Maka :

(8-2)

Biasanya porositas salah satu diketahui (porositas unggun diam atau porositas minimum). Apabila tinggi yang bersangkutan diketahui, maka tinggi untuk porositas yang dapat dihitung.

(8-3)

ε1 dan ε2 adalah porositas untuk tinggi L1 dan L2

L

L

L

LLM

00 1

2

112 1

1

LL

 Kecepatan fluidisasi minimum

Fluidisasi akan terjadi apabila :Gaya tekan ke atas oleh gas = berat partikel

(P) (A) = (A. LMf) (1 – εMf) [p - ) g/gc] (8 – 4)

AtauP / LMf = (1 – εMf) [p - ) g/gc] (8 – 5)

LMf : tinggi unggun pada fluidisasi

A : luas penampangp : rapat massa partikel

: rapat massa fluida

tan

.

pada

massarapat

unggun

volume

bejana

penampluas

unggunpada

teknpenurunan

Kecepatan superfisial pada kondisi fluidisasi minimum, Umf, diperoleh dengan mengkombinasikan persamaan (8 – 5) dan (6– 6)

(8 – 6)Untuk Re<20

uMf = (8 – 7)

Untuk Re>100uMf

2 = (8 – 8)

)1(..

.

75,1..)1(150)(

.)1(75,1

)(

.)1(150)()1(

2

3

3322

3

3

3

23

2

Mf

p

Mfp

Mf

Mfp

Mf

Mfpp

pMf

MfMf

pMf

MfMfpMf

Dx

uDuDgD

D

u

D

ug

Mf

Mfpp gD

1

)(

150

)( 32

3)(

75,1 Mfpp gD

Bila εMf dan/atau tak diketahui, dapat digunakan :

(8 – 9)

Dari persamaan (8 – 9) dan (8 – 6) didapatkan :

(8 – 10)

Untuk Re<20uMf = (8 – 11)

Untuk Re>100uMf

2 = (8 – 12)

11

141

323

Mf

Mf

Mf

dan

7,33)(.

0408,07,33..

2/1

2

3

2

gDuD ppMfp

1650

)(2 gD pp

5,24

)( gD pp

Penurunan tekanan didalam unggun terfluidisasi

Gambar berikut (8.5) menggambarkan penurunan tekanan yg terjadi pada unggun yg terdiri dari partikel padatan berukuran seragam. Pada laju alir fluida yg rendah (unggun diam), penurunan tekanan hampir sebanding dg laju alir gas, biasanya sestelah mencapai harga maksimum (P maks) akan sedikit lebih besar daripada head statis dari porositas unggun. Dg semakin bertambahnya laju alir fluida, porositas unggun akan semakin besar (dari εM → εMf) shg penurunan tekanan akan lebih kecil.Pada kecepatan fluidisasi minimum, unggun mengembang shg gelembung – gelembung gas didalam unggun tidak homogen. Pada keadaan ini penurunan keadaan praktis tidak berubah.Diagram penurunan tekanan vs kecepatan fluida sangat berguna untuk mengidentifikasi kualitas fluidisasi, khususnya bila pengamatan visual tidak mungkin dilakukan. Jadi suatu unggun fluidisasi yg ideal akan berkelakuan seperti gambar 8.5 di atas. Sedangkan unggun fluidisasi yg menyimpang dari kondisi ideal (misalnya terjadi penorakan/slugging atau chanelling) akan berkelakuan seperti gambar 8.6.

Gambar 8.5 Penurunan tekanan vs kecepatan fluida pada unggun dengan partikel berukuran seragam

Gambar 8.6 Penurunan tekanan vs kecepatan fluida pada unggun fluidisasi yang tidak ideal

Contoh Soal 1Tentukan kecepatan superfisial gas, bila

diinginkan unggun terfluidisasi tanpa terjadi enrainment, berat unggun 360 g. Distribusi ukuran partikel : ρp : 1 g / cm3

εMf : 0,4

: 1

dp (mm) OP (g)162,5 30137,5 60112,5 12087,5 9062,5 60

360

Udara masuk ke kolom pada P atm dan meninggalkan kolom pada 200C, 1 atm. Sifat udara pada kondisi keluar dari kolom :

Penyelesaian:

3/ 00124,0

/ 000178,0/ 0178,00178,0

cmg

scmgmsgcP

dp (rm) OP (g) OP% P% C%OP162,5

30 0,0833 0,0833137,5

60 0,1667 0,0067 0,2500112,5

120 0,3333 0,0133 0,583387,5

90 0,2500 0,0100 0,833362,5

60 0,1667 0,0067 1,0000

360

Jika menggunakan dpi vs C%OP, maka dpm = 117 m=0,00117 cm

Jika menggunakan dpi vs P% , maka dpf = 110 m = 0,0011 cm

Dpi vs C%OP dpi vs P%

50 75 100 125 150 1750

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

50 75 100 125 150 1750

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

Kecepatan superfisial minimum (UM f) terjadi pada dasar kolom, dimana tekanan adalah tertinggi. dg Dp = 98 kita boleh menganggap bahwa unggun terdiri atas pertikel – partikel kecIl (dengan NR e < 20) maka gunakan pers (8-7)

uM f =

= 0,0054 cm/s

Cek harga Rep :

Apabila operasi dilakukan pada tekanan < 200 atm, maka anggapan Rep < 20 masih dapat diterima.

)1(150

)()( 32

Mf

fMpp gD

6,0

)4,0(

)000178,0()150(

)981( )00124,01()00117,01( 32

x

00004,0000178,0

)00124,0()0054,0()00117,0(..Re

fMp

p

uD

Contoh Soal (sama dg Soal No 1)

Tentukan kecepatan superfisial gas, bila diinginkan unggun terfluidisasi tanpa terjadi enrainment, berat unggun 360 g. Distribusi ukuran partikel :

ρp : 1 g / cm3

εMf : 0,4

: 1

Berat kumulatif

dari Sampel

unggun (g)

Diameter

Partikel

(m)

0

60

150

270

330

360

50

75

100

125

150

175

Udara masuk ke kolom pada P atm dan meninggalkan kolom pada 200C, 1 atm. Sifat udara pada kondisi keluar dari kolom :

Penyelesaian: Perhitungan diameter rata – rata, Dp :

3/ 00124,0

/ 000178,0/ 0178,00178,0

cmg

scmgmsgcP

Range diameter

Dpi

(m)

Fraksi berat dlm

Interval (xi)

50 – 75

75 – 100

100 – 125

125 – 150

150 - 175

62,5

87,5

112,5

137,5

162,5

(60 – 0)/ 360 = 0, 167

(150 – 60)/360 = 0,250

= 0, 333

= 0,167

= 0,083

0,167/62,5 = 0,002668

0,250/87,5 = 0,002858

= 0,002962

= 0,001212

= 0,000513

∑ (x/dp) I = 0,010213

dp

x

Kecepatan superfisial minimum (UM f) terjadi pada dasar kolom, dimana tekanan adalah tertinggi. Dengan Dp = 98 kita boleh menganggap bahwa unggun terdiri atas pertikel – partikel kecIl (dengan NR e < 20) maka gunakan pers (8-7)

uM f =

= 0, 3759 cm/s

cmdpx

di

p 0098,098010213,0

1

)/(

1

)1(150

)()( 32

Mf

fMpp gD

6,0

)4,0(

)000178,0()150(

)981( )00124,01()1()0098,0( 32

Cek harga Rep :

Apabila operasi dilakukan pada tekanan < 200 atm, maka anggapan Rep < 20 masih dapat diterima.

025,0000178,0

)001204,0()3759,0()0098,0(..Re

fMp

p

uD

Contoh Soal 2

Perhitungan rapat massa gas pada dasar menara (tekanan = p atm), operasi berlangsung isotermal (200C), maka :

P1 . V1 = P2 . V2

P1 / ρ1 = P2 / ρ2

P1 = 1 atmP2 = p atm

= 0, 001204 g/cm3

Kecepatan superfisial maksimum terjadi pada puncak menara, dimana tekanan adalah minimum. Karena diinginkan tidak ada entrainment, maka kecepatan udara dipuncak menara haruslah < ut.

1

122

.

P

P

32 /001204,0

1

)001204,0()(cmgp

p

KISI-KISIFiltrasi: cari tahanan spesifik cake dan

tahanan filter medium.Aliran fluida (Dinamika Fluida): penurunan

tekanan (pers. Darcy-Weisbach) Alat Ukur Fluida: orifice meterPressure Drop Pada Fluidisasi: gabungan

sieving, (kec. Superfisial)??Pilih dan kerjakan 2 (dua) sembarang 6

soal!!!

Kisi kisi 2014Filtrsi = grafikTugas 2 n0 1-4Head lossManometerSoal terakhir