teknik kimia: makalah fluidisasi

PENDAHULUAN

1. 1. Latar Belakang

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 adalah proses 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 serbuk padatan (conveyor untuk solid), pencampuran padatan halus, perpindahan panas (seperti pendinginan untuk bijih 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.

1. 2. Tujuan

Adapun hal yang menjadi tujuan dalam pembuatan makalah aliran fluida dalam pipa ialah sebagai berikut :

Dapat mengetahui apa yang di maksut fluidisasi.
Dapat menentukan jenis-jenis fluidsasi.
Dapat menjelaskan keadaan fluidisasi.
Dapat menghitung kecepatan superfisial.
Dapat menjelaskan kegunaan dari fluidisasi.

1.3. Manfaat

Adapun hal yang menjadi manfaat dalam pembuatan makalah aliran fluida dalam pipa ialah sebagai berikut :

1. Memberikan pemahaman mengenai fluidisasi pada unggun diam dan terfluidakan

2. Memberikan pengetahuan tentang penggunaan operasi fluidisasi di dalam indusri

3. Mahasiswa dapat mengetahi factor-faktor yang mempengaruhi proses fluidisasi

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Fluidisasi

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, gambar II.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 ( gambar II.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.

Gambar 2.1 Unggun diam (a), unggun mendidih atau terfluidisasi paton (b) dan unggun terfluidakan kontinyu / berkesinambungan (c)

Gambar 2.2 Penurunan tekanan dalam unggun padatan

1. Unggun diam

2. Daerah peraliran / intermediate

3. Fluidisasi batch

4. 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 ( gambar II.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 sifat dan sebagainya (gambar II.3 ).

Gambar 2.3 Sifat 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 (u_t) 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.

2.2 Proses Fluidisasi

Bila suatau zat cair dilewatkan melalui hamparan lapisan partikel padat pada kecepatan rendah, partikel-partikel itu tidak bergerak. Jika kecepatan fluida berangsur-angsur dinaikan, partikel-partikel itu akhirnya akan mulai bergerak dan melayang di dalam fluida. Istilah “fluidisasi” (fluidization) dan “hamparan fluidisasi” (fluidized bed) bhias digunakan untuk keadaan partikel yang seluruhnya dianggap melayang, karena suspense ini berperilaku seakan-akan fluida rapat. Jika hamparan itu dimiringkan, permukaan atasnya akan tetap horizontal, dan benda-benda besar akan mengapung atau tenggelam di dalam hamparan itu bergantung pada perbandingan densitasnya terhadap suspense. Zata padat yang terfluidisasi dapat dikosongkan dari hamparannya melalui pipa dan katub sebagaimana halnya suatu zat cair, dan sifat fluiditas ini merupakan keuntungan utama dari penggunaan fluidisasi untuk menangani zat padat.

2.3 Kondisi Fluidisasi

Perhatikan suatu tabung vertical yang sebagian berisi bahan butiran, sebagaimana terlihat dalam gambar. Tabung itu turbulen pada keadaan atas, dan mempunyai plat berpori pada bagian bawah untuk menopang pasir diatasnya untuk menyebarkan aliran secara seragam pada keseluruhan penampang. Udara dimasukkan dibawah plat distribusi dengan laju lambat dan naik keatas dengan hamparan tanpa menyebabkan terjadinya gerakan dalam partikel. Jika partikel itu cukup kecil, aliran didalam saluran-saluran diantara partikel-partikel dalam hamparan itu akan bersifat laminar. Jika kecepatan itu dinaikkan , penurunan tekanan akan meningkat, tetapi partikel-partikel itu tetap masih tidak bergerak dan tinggi hamparan pun tidak berubah. Pada kecepatan tertentu, penurunan tekanan melintas hamparan itu akan mengimbangi gaya gravitasi yang dialaminya dengan kata lain mengimbangi bobot hamparan., dan jika kecepatan masih dinaikkan lagi partikel itu akan mulai bergerak. Titik ini digambarkan oleh titik A pada grafik. Jika kecepatan it uterus ditingkatkan lagi, partikel-partikel itu akan memisahkan dan menjadi cukup berjauhan satu sama lain sehingga dapat berpindah-pindah dalam hamparan itu, dan fluidisasi yang sebenarnya pun mulailah terjadi. Jika hamparan itu sudfah terfluidisasi , penurunan tekanan melintas hamparan akan tetap konstan, akan tetapi tinggi hamparan akan bertambah terus jika aliran ditinngkatkan lagi.

Jika laju aliran hamparan ke fluidisasi (fluized bed) itu perlahan-lahan diturunkan, penurunan tekanan tetap sama, tetapi tinggi hamparan berkurang. Akan tetapi, tinggi akhir hamparan itu mungkin lebih besar dari nilainya pada hamparan diam semula, karena zat padat yangdicurahkan dalam tabung itumenetal lebih rapat dari zat padat yang mengendap perlahan-lahan dari keadaan fluidisasi. Penurunan pada kecepatan rendah lebih kecil dari hamparan diam semula. Jika fluidisasi dimulai kembali, penurunan tekanan akan mengimbangi bobot hamparan pada titik B, titik inilah yang harus kita anggap sebagai kecepatan fluidisasi minimum U_mf dan bukan titik A. Untuk mengukur U_mfhamparan itu harus difluidisasikan dengan kuat terlebih dahulu, dibiarkan mengendap dengan mematikan aliran udara, dan laju aliran dinaikan lagi perlahan-lahan sampai hamparan itu mengembang.

2.4 Jenis-jenis Fluidisasi

2.4.1 Fluidisasi partikulat

Dalam fluidisasi air dan pasir, partikel-partikel itu bergerak menjauh satu sama lain dan gerakannya bertambah hebat dengan bertambahnya kecepatan, tetapi densitas hamparan rata-rata pada suatu kecepatan tertentu sama disegala arah hamparan. Proses ini disebut “ Fluidisasi partikulat” yang bercirikan ekspansi hamparan yang cukup besar tetapi seragam pada kecepatan yang tinggi.

Kertika fluida cairan seperti air dan padatannya berupa kaca, gerakan partikel pada saat terfluidisasi terjadi dalam ruanng sempit dalam hamparanSeiring dengan bertambahnya kecepatan fluida dan penurunan tekanan, maka hamparan akan terekspansi dan gerakan dan pergerakan partikel semakin cepat. Jalan bebas rata-rata suatu partikel diantara tubrukan-tubrukan dengan partikel akan bertambah besar dengan meningkatnya kecepatan fluida, dan akibatnya porositas hamparan akan meningkat pula. Ekspansi dari hamparan ini akan di ikuti dengan meningkatnya kecepatan fluida samapi setiap partikel bertindak sebagai suatu individu.

2.4.2 Fluidisasi Gelembung

Hamparan zat padat yang terfluidisasi di dalam udara biasanya menunjukan fluidisai yang dikenal sebagia fluidisasi agregativ. Fluidisasi ini terjadi jika kecepatan superficial gas diatas kecepatan fluidisasi minimum. Bila kecepatan superficial gas diatas kecepatan jauh lebih besar dari U_mfkebanyakan gas itu mengalir melalui hamparan dalam bentuk gelembung, dan hannya sebagian kecil gas itu mengalir dalm saluran-saluran yang terbentuk diantara partikel. Partikel itu bergerak tanpa aturan dan didukung oleh fluida tetapi diruang-ruang antara gelembung fraksi kosong kira-kira sama dengan kondisi awal fluidisasi . Gelembung yang terbentuk berperilaku hamper seperti gelembung udara dalam air, atau gelembung uap dalam zat cair yang mendidih (hamparan didih).

Ukuran rata-rata gelembung itu bergantung pada jenis dan ukuran partikel, jenis plat distributor, kecepatan superficial, dan tebalnya hamparan. Gelembung-gelembung cenderung bersatu, dan menjadi besar pada waktu naik melalui hamparan fluidisasi itu dan ukuran maksimum gelembung stabil berkisar antara beberapa inci sampai beberapa kaki diameternya. Gelembung-gelembung yang beriringan lalu bergerak ke puncak terpisah oleh zat padat yang seakan-akan sumbat. Peristiwa tersebut di kenal peristiwa “penyumbatan” (slugging) dan biasanya hal ini tidak dikehendaki karena mengakibatkan karena adanya fluktuasi tekanan dalam hamparan, meningkatkan zat padat yang terbawa ikut dan menimbulkan kesulitan jika kita ingin memperbesar skalanya di unit-unit yang lebih besar.

2.5 Evaluasi Parameter-parameter didalam Peristiwa Fluidisasi

2.5.1. Densitas partikel

Penentuan densitas partikel untuk zat padat yang masih dan tidak menyerap air atau zat cair lain, bisa dilakukan dengan memakai piknometer. Sedang untuk partikel berpori, cara diatas akan menimbulkan kesalahan yang cukup besar karena air atau cairan akan memasuki pori-pori didalam partikel, sehingga yang diukur bukan lagi densitas partikel (berikut pori-porinya) seperti yang diperlukan dalam persamaan di muka, tetapi densitas bahan padatnya (tidak termasuk pori-pori didalamnya). Untuk partikel-artikel yang demikian ada cara lain yang biasa digunakan, yaitu dengan metode yang diturunkan Ergun.

2.5.2 Bentuk partikel

Dalam persamaan yang telah diturunkan, partikel padatnya dianggap sebagai butiran yang berbentuk bola dengan diameter rata-rata dp. Untuk partikel bentuk lain, harus ada koreksi yang menyatakan bentuknpartikel sebenarnya.

Faktor koreksi tersebut dinyatakan dengan :

2.5.3 Diameter partikel

Diameter partikel biasanya diukur berdasarkan analisa ayakan (ukuran mesh).

2.5.4. Porositas unggun

Porositas unggun menyatakan fraksi kosong di dalam unggun yang secara matematika bila ditulis sebagai berikut:

granulasi unggun yang terfluidisasikan adalah pembesaran ukuran umum di industri farmasi, di mana bubuk halus adalah diaglomerasi menggunakan pengikat cair untuk memberikan butiran yang lebih besar. Distribusi ukuran butiran selama granulasi adalah salah satu karakteristik utama dari evaluasi proses. Dengan demikian, ada kebutuhan untuk desain proses pengendalian metode yang bertujuan untuk mengevaluasi distribusi ukuran pada real-time. Beberapa dari gambar analisis dan NIR instrumentasi memiliki ditangani ini masalah di barutahun 1-3. Namun, yang isu dengan yang handal data penanganan dan probe kontaminasi masih perlu untuk diatasi.

2.6 Faktor-faktor yang mempengaruhi fluidisasi

2.6.1 Porositas Minimum

Sejak unggun mulai mengembang (gambar 2.2, titik A), porositas bertambah dengan bertambahnya kecepatan (lihat gambar 2.4). Porositas naik secara liniear dengan logaritma kecepatan.

Gambar 2.5 : porositas unggun Vs log kecepatan

1. Daerah unggun statis

2. Daerah peralihan

3. Daerah fluidisasi batch

4. Daerah fluidisasi kontinyu

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

Porositas minimum bergantung pada ukuran dan bentuk butiran. Biasanya ∑Mf akan semakin kecil seiring dengancsemakin besarnya butiran. Harga-harga porositas minimum untuk berbagai bahan dapat diketahui dari percobaan-percobaan, karena tidak ada data untuk satu jenis bahan, ∑Mf dapat diperkirakan dengan rumus empiris berikut (untuk Dp 50 ^s/_d 500 mikron)

∑Mf = 1-0,356 {log Dp – 1} .......... (II.2.a)

Dp = diameter butiran (mikron)

Berikut adalah tabel porositas pada kondisi fluidisasi minimum :

Particles	Size (mm)
Particles	0.02	0.05	0.07	0.10	0.20	0.30	0.40
Sharp sand, ø_{s =} 0.67 Round sand, ø_{s =}0.86 Mixed round sand Coal and glass powder Anthracite coal, ø_{s =} 0.63 Absorption carbon Fischer-Tropsch catalyst, ø_{s =}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	0.58 0.48 0.42 0.62 0.60 0.69 0.58 0.56	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 - - -

Tabel 2.3 Porositas pada kondisi fluidisasi minimum

2.6.2 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.

Bila L₀ adalah tinggi unggun bila porositas nol (berarti unggun berupa gumpalan zat padat tidak berpori). Maka :

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

ε₁ dan ε₂ adalah porosity untuk tinggi L₁dan L₂

2.6.3 Kecepatan fluidisasi minimum

Fluidisasi akan terjadi apabila :

gaya tekan ke atas oleh gas = berat partikel............................................... (II.5.a)

(DP) (A) = (A . L_Mf) (1 - e_Mf) [(r_p - r) g/gc].................................................... (II.5.b)

atau

DP/L_Mf = (1 - e_Mf) [(r_p - r) g/gc].................................................................... (II.5 c)

L_Mf : tinggi unggun pada fluidisasi minimum

A : luas penampang

r_p : rapat massa partikel

r : rapat massa fluida

Kecepatan superfisial pada kondisi fluidisasi minimum u_mf, diperoleh dengan mengkombinasikan persamaan II.5 c dan II.5 d.

.. (II.5 d)

Untuk Re < 20 :

U_Mf =

.............................................................. (II.5 e)

Untuk Re > 1000 :

U_Mf² =

............................................................................ (II.5 f)

Bila ε_Mf dan/atau ø_s tak diketahui, dapat digunakan :

Dari persamaan 8.9 dan 8.6, didapatkan :

Untuk Re < 20 :

…………….. (II.5 i)

Untuk Re > 1000 :

…………………. (II.5 j)

2.6.4 Penurunan tekanan di dalam unggun terfluidisasi

Gambar berikut (II.3) menggambarkan penurunan tekanan yang terjadi pada unggun yang terdiri atas partikel padatan berukuran seragam. Pada laju alir fluida yang rendah (unggun diam), penurunan tekanan hampir sebanding dengan laju alir gas, biasanya setelah mencapai harga maksimum (∆P_MAKS) akan sedikit lebih besar daripada head statis dari unggun. Dengan semakin bertambahnya laju alir fluida, porositas unggun akan semakin besar (dari ε_Mà ε_Mf) sehingga penurunan tekanan akan lebih kecil.

Pada kecepatan fluidisasi minimum, unggun mengembang sehingga gelembung-gelembung gas didalam unggun tidak homogen. Pada keadaan ini penurunan tekanan praktis tidak berubah.

Gambar 2.6.4 a Penurunan tekanan vs kecepatan fluida pada unggun dengan partikel berukuran seragam

Diagram penurunan tekanan vs kecepatan fluida sangat berguna untuk mengidentifikasi kualitas fluidisasi, khususnya bila pengamatan visual tidak mungkin dilakukan. Jadi, suatu unggun fluidisasi yang ideal akan berkelakuan seperti gambar II.3 di atas. Sedangkan unggun fluidisasi yang menyimpang dari kondisi ideal (misalnya terjadi penorakan/slugging atau chanelling) akan berkelakuan seperti gambar II.3 b

Gambar 2.7 b Penurunan tekanan vs kecepatan fluida pada unggun fluidisasi yang tidak ideal

Untuk unggun dengan distribusi ukuran partikel yang halus (beda ukuran partikel tidak terlalu besar) kelakuan fluidisasi hampir menyerupai unggun dengan ukuran partikel seragam dengan diameter rata-rata D_p.

Pada unggun dengan distribusi ukuran partikel yang kasar (beda ukuran sangat mencolok), kemungkinan terjadi partikel berukuran halus terfluidisasi didalam rongga antar butiran besar, sementara butiran besar tersebut tidak tersuspensi (apabila ratio diameter partikel >5).

Untuk menghindari terjadinya entrainment (partikel padatan terbawa aliran fluida, operasi harus dipertahankan pada laju alir fluida antara u_Mf dan u_t. Perhitungan u_Mf harus didasarkan pada diameter partikel rata-rata, sedang u_t didasarkan pada ukuran partikel terkecil yang terdapat didalam unggun. Ratio antara u_t : u_Mfberkisar antara 10 : 1 dan 90 : 1

2.7 Keuntungan dan Kerugian dari fluidisasi

2.7.1 Penggunaan operasi fluidisasi didalam industry

a. Proses fisika : transprtasi, penukar panas, pengeringan, pencampuran serbuk halus, pelapisan bahan plastik pada permukaan logam, pengecilan/pembesaran partikel dan adsorpso.

b. 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 kontinu

2. 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.

BAB III

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari makalah “Fluidisasi” ini ialah :

1. 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

2. Penggunaan operasi fluidisasi didalam industry

Ø Proses fisika : transprtasi, penukar panas, pengeringan, pencampuran serbuk halus, pelapisan bahan plastik pada permukaan logam, pengecilan/pembesaran partikel dan adsorpso.

Ø Proses kimia : oksidasi etilena, pembuatan anhidrida ftalat, cracking hidrokarbon dan lain-lain.

3. Faktor-faktor yang mempengaruhi fluidisasi

Ø Porositas minimum terhadap fluida

Ø Tinggi unggun terhadap fluida

Ø kecepatan fluidisasi minimum terhadap fluida

Ø penurunan tekanan didalam unggun terfluidisasi