I.
PENGERTIAN
FLUIDISASI
Fluidisasi adalah metoda pengontakan
butiran-butiran padat dengan fluida baik cair maupun gas. Dengan metoda ini
diharapkan butiran-butiran padat memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. Sebagai ilustrasi, tinjau
suatu kolom berisi sejumlah partikel padat
berbentuk bola. Melalui unggun padatan ini kemudian dialirkan gas dari
bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah, butiran padat akan tetap diam,
karena gas hanya mengalir dari bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah,
butiran padat akan tetap diam, karena gas hanya mengalir melalui ruang antar
partikel tanpa menyebabkan perubahan susunan partikel tersebut. Keadaan yang
demikian disebut unggun diam atau fixed bed. Keadaan fluidisasi unggun
diam tersebut ditunjukkan pada Gambar 1a.
Gambar 1 Skema unggun diam dan unggun
terfluidakan
Kalau
laju alir kemudian dinaikkan, akan sampai pada suatu keadaan di mana unggun
padatan akan tersuspensi di dalam aliran gas yang melaluinya. Pada keadaan ini
masing-masing butiran akan terpisahkan satu sama lain sehingga dapat bergerak
dengan lebih mudah. Pada kondisi butiran yang dapat bergerak ini, sifat unggun
akan menyerupai suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya adanya
kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. Sifat
unggun terfluidisasi ini dapat dilihat pada Gambar 1b. 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 plastic 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.
Gambar 2 Sifat Cairan dalam Unggun
terfluidisasi
II.
FENOMENA
– FENOMENA FLUIDISASI
Fenomena-fenomena
yang dapat terjadi pada prose fluidisasi antara lain:
1. Fenomena
fixed bed yang 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 1a.
2. Fenomena
minimum or incipient fluidization yang 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 1b.
3. Fenomena
smooth or homogenously fluidization terjadi ketika kecepatan dan
distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun
sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam.
4. Fenomena
bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung –gelembung pada
unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen. Kondisi
ini ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar
4 Fenomena bubbling fluidization
5. Fenomena
slugging fluidization yang terjadi ketika gelembung-gelembung besar yang
mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel padat. Pada
kondisi ini terjadi penorakan sehingga partikel-partikel padat seperti
terangkat. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Fenomena slugging fluidization
6. 
Fenomena
chanelling fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel
padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini
ditunjukkan pada Gambar 6.
Fenomena
chanelling fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel
padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini
ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar
6 Fenomena chanelling fluidization
7. Fenomena
disperse fluidization yang terjadi saat kecepatan alir fluida melampaui
kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan
terbawa aliran fluida dan ekspansi mencapai nilai maksimum. Kondisi ini
ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7
Fenomena disperse fluidization
Fenomena-fenomena
fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:
1.
laju alir fluida dan jenis fluida
2.
ukuran partikel dan bentuk partikel
3.
jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel
4.
porositas unggun
5.
distribusi aliran,
6.
distribusi bentuk ukuran fluida
7.
diameter kolom
8.
tinggi unggun.
Faktor-faktor
di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akan
menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Pada praktikum fluidisasi
ini fluida yang digunakan adalah udara tekan. Butiran padat yang akan
difluidisasikan juga dapat bervariasi seperti butiran batu bara, batu bata,
pasir, dan sebagainya. Ukuran partikel juga divariasikan dengan melakukan
pengayakan dengan mesh tertentu. Densitas partikel dapat juga divariasikan
dengan menyampur partikel, baik yang berbeda ukuran maupun berbeda jenis.
Selain itu variasi juga dapat dilakukan pada tinggi unggun. Dalam praktikum ini
akan teramati fenomena-fenomena fluidisasi. Selama fluidisasi berlangsung juga
dapat diamati kecepatan minimum fluidisasi secara visual. Dari hasil pengukuran
tekanan dan laju alir fluida dibuat pula Kurva Karakteristik Fluidisasi.
Karakteristik unggun terfluidakan digambarkan pada kurva karakteristik
fluidisasi yang merupakan plot antara log U dan log ΔP. Persamaan yang digunakan
adalah Persamaan Ergun dan Persamaan Wen Yu.
III.
EVALUASI
PARAMETER-PARAMETER DALAM PERISTIWA FLUIDISASI
1.
Densitas Partikel
Penentuan
densitas partikel untuk zat padat yang tidak menyerap air atau zat cair lain
bisa dilakukan dengan memakai piknometer. Sedangkan untuk partikel berpori,
cara di atas akan menimbulkan kesalahan yang cukup besar karena air atau cairan
akan memasuki pori-pori di dalam partikel, sehingga yang diukur bukan lagi
densitas partikel (berikut pori-porinya) seperti yang diperlukan di dalam
persamaan-persamaan yang ditulis di muka, tetapi densitas bahan padatnya (tidak
termasuk pori-pori di dalamnya). Untuk partikel-partikel yang demikian, ada
cara lain yang biasa digunakan, yaitu dengan memakai metoda yang diturunkan
Ergun.
2. Bentuk Partikel
Didalam
persamaan-persamaan yang telah diturunkan sebelumnya partikelpartikel padatnya
dianggap sebagai butiran-butiran yang berbentuk bola dengan diameter rata-rata
dp. Untuk partikel-partikel yang mempunyai bentuk lain, harus diadakansuatu
koreksi yang menyatakan bentuk sebenarnya partikel yang ditinjau. Faktor
koreksi ini disebut sebagai faktor bentuk atau derajat kebolaan suatu partikel
yang didefinisikan sebagai:
Derajat
kebolaan (θs) bisa dipakai langsung dalam persamaan-persamaan terdahulu dengan
mengganti dp menjadi θs.dp, sehingga persamaan Ergun dapat ditulis menjadi:
dimana
θs = 1 untuk partikel berbentuk bola
θs < 1 untuk partikel berbentuk bola
3.
Diameter Partikel
Diameter
partikel biasanya diukur berdasarkan analisa ayakan.
4.
Porositas Unggun
Porositas
unggun menyatakan fraksi kosong di dalam unggun yang secara matematik bisa
ditulis sebagai berikut:
dimana
ε = porositas unggun
Vu = volume unggun
Vp = volume partikel
Harga
porositas unggun ini sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri butiran padat yang
membentuk unggun tersebut, atau dengan perkataan lain, porositas unggun
merupakan fungsi dari faktor bentuk atau derajat kebolaan partikel-partikelnya.
Salah satu hasil eksperimen yang menggambarkan pengaruh derajat kebolaan
terhadap porositas unggun diberikan oleh Brown.
IV.
HILANG TEKAN (PRESSURE
DROP)
Aspek utama yang akan ditinjau dalam percobaan ini adalah
mengetahui besarnya hilang tekan (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.
1. Hilang
Tekan Dalam Unggun Diam
Korelasi-korelasi
matematik yang menggambarkan hubungan antara kehilangan tekanan dengan laju
alir fluida di dalam suatu sistem unggun diperoleh melalui metode-metode yang
bersifat semi empiris dengan menggunakan bilangan-bilangan yang tak berdimensi.
Untuk aliran laminer dimana kehilangan energi terutama disebabkan oleh “Viscous
Loses”, Blake memberikan hubungan sebagai berikut:
.........(1)
Dimana: ∆P = Kehilangan
tekanan per satuan panjang atau tinggi ukuran
gc =
Faktor konversi
µ =
Viskositas fluida
ε =
Porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong di
dalam unggun dengan volume unggunnya
U =
Kecepatan alir superfisial fluida
s =
Luas permukaan spesifik partikel
Luas
permukaan spesifik partikel (luas permukaan per satuan volume unggun), dihitung
berdasarkan korelasi berikut:
.........(2)
Sehingga persamaan (1) menjadi:
.........(3)
atau, 
.........(4)
.........(4)
Persamaan
(4) ini kemudian diturunkan lagi oleh Konzeng dengan mengamsusikan bahwa unggun
zat padat tersebut adalah ekivalen dengan satu kumpulan saluran-saluran lurus
yang paralel yang mempunyai luas permukaan dalam total dan volume total
masing-masing sama dengan luas permukaan luar partikel dan volume ruang
kosongnya. Harga konstanta k’ yang diperoleh beberapa peneliti sedikit berbeda,
sepertti misalnya:
Konzeng (1927) k’= 150
Carman (1937) k’= 180
US Bureaunof Mines (1951)
k’= 200
Untuk aliren turbulen, persamaan (4) tidak bisa
dipergunakan lagi, sehingga Ergun (1952) kemudian menurunkan rumus lain dimana
keholangan tekanan digambarkan sebagai gabungan dari “Viscous Losses” dan
“Kinetic Energy Losses”.
.........(5)
Viscous Losses Kinetic
Energy Losses
Dimana:
k1 = 150
k2 = 1,75
Pada
keadaan ekstrim, yaitu:
a. Aliran
laminer (Re=20), sehingga term II bisa diabaikan
b. Aliran
turbulen (Re=1000), sehingga term I bisa diabaikan
2. Hilang
Tekan Dalam Unggun Terfluidisasikan (Fluidized Bed)
Untuk unggun terfluidisasikan
persamaan yang menggambarkan ∆P/L dan U yang biasanya digunakan adalah
persamaan Ergun, yaitu:
....(6)
Dimana εf adalah porositas unggun pada
keadaan terfluidisasikan. Pada keadaan ini dimana partikel-partikel zat padat
seolah-olah terapung di dalam fluida, akan terjadi kesetimbangan antara berat
partikel dengan gaya apung dari fluida di sekelilingnya.
Gaya berat oleh fluida yang naik = berat partikel – gaya apung
Atau:
[kehilangan tekanan pada unggun][Luas
penampang]=[volume unggun][densitas zat padat – densitas fluida]
[∆P][A] =
[A.t][1-εf][ρp-ρp] g/gc .....(7)
= ][1-εf][ρp-ρp]
g/gc .....(8)
V.
KECEPATAN MINIMUM FLUIDISASI
Yang
dimaksud kecepatan minimum fluidisasi (Umf), adalah kecepatan superficial fluida
minimum dimana fluida mulai terjadi. Harga Umbisa diperoleh dengan
mengkombinasikan persamaan (6) dengan persamaan (8)
VI.
KARAKTERISTIK
UNGGUN TERFLUIDISASIKAN
Karakter
unggun terfluidisasikan biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik antara
penurunan tekanan (∆P) dan kecepatan superfisial fluida (U). Untuk keadaan yang
ideal, kurva hubungan ini berbentuk seperti dalam gambar 8
Gambar 8. Kurva Karakteristik Fluidisasi Ideal
Keterangan:
Garis AB : menunjukkan kehilangan
tekanan pada daerah unggun diam
Garis BC : menunjukkan keadaan
dimana unggun telah terfluidakan
Garis DE: menunjukkan kehilangan
tekanan pada daerah unggun diam pada waktu kita menurunkan kecepatan air fluida
. Harga penurunan tekanan untuk kecepatan aliran fluida tertentu, sedikit lebih
rendah daripada harga penurunan tekanan pada saat awal operasi. Penyimpangan
dari keadaan ideal:
1. 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 (ΔP) sesaat sebelum fluidisasi
terjadi. Fenomena interlock ini dapat dilihat pada Gambar 9, terjadi
pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi
unggun terfluidakan.
2. Fluidisasi
heterogen (aggregative fluidization)
Jenis penyimpangan yang lain adalah kalau
pada saat fluidisasi partikel-partikel padat tidak terpisah-pisah secara
sempurna tetapi berkelompok membentuk suatu agregat. Keadaan yang seperti ini
disebut sebagai fluidisasi heterogen atau aggregative fluidization. Tiga
jenis fluidisasi heterogen yang biasa terjadi adalah karena timbulnya:
a.
penggelembungan (bubbling)
b.
penorakan (slugging)
c.
saluran-saluran fluida yang terpisahkan (chanelling)
Gambar
9 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock
Gambar 10. Tiga jenis
fluidisasi heterogen
a.
Bubbling
Dimana saat fluidisasi terjadi di
kolom fluidisasi, pada permukaan unggun padat terjadi ledakan-ledakan kecil
(gelembung-gelembung pecah pada permukaan unggun padat)
b.
Slugging
Pada saat fluidisasi terjadi di
dalam kolom fluidisasi, pada permukaan partikel unggun padat terjadi
ledakan-ledakan kecil menyerupai payung, tetapi letaknya tidak beraturan
(berpindah tempat)
c.
Channeling
Pada saat fluidisasi terjadi dalam
kolom fluidisasi, pada permukaan unggun padat terjadi ledakan-ledakan kecil
menyerupai payung, teatpi letaknya tetap.
VII.
KEUNTUNGAN
DAN KERUGIAN FLUIDISASI
a.
Keuntungan fluidized bed
1.
Kebocoran seperti pada aliaran cairan dan partikel-partikel memberikan
kontrol secara kontinyu.
2.
Kecepatan pencampuran solid
mendekati kondisi isothermal, tekanan melalui reaktor dimana operasi dapat
dikontroldengan mudah.
3.
Sirkulasi solid oleh fluidized bed
membuatnya mungkin untuk transportasi dengan jumlah yang sangat banyak.
b.
Kerugian fluidized bed
1.
Sulit menggambarkan aliran gas
dengan deviasi besar dari sumber aliran dan dengan passing dari solute dan
gelembung-gelembung menyebabkan tidak efisiennya sistem kontak. Hal ini menjadi
serius bila konversi tinggi dan reaktan-reaktan dibutuhkan.
2.
Kecepatan penguapan solid dalam
uniformnya. Waktu tinggal solid ini memberikan konversi lebih efektif dengan
kata lain untuk mengerjakan solid secara batch. Pencampuran ini menolong karena
memberikan produk solid seragam untuk reaksi-reaksi katalitik.
3.
Erosi pipa dan tempat abrasi
partikel.
4.
Untuk pengoperasian luas katalitik
pada tempat operasi yang berpengaruh terhadap kecepatan reaksi.
VIII.
PENGGUNAAN
PROSES FLUIDISASI DALAM INDUSTRI
1.
Operasi Secara Fisik (Physical
Operation), seperti:
a.
Transportasi: Sifat fluidisasi pada
fluidized bed juga merupakan sifat yang sama dengan cairan dan sifat ini sangat
efektif digunakan untuk alat transportasi dari bubuk padatan.
b.
Heat Exchanger (HE): Fluidized bed dapat
digunakan untuk HE operasi fisik dan kimia kareana kemampuannya untuk
mempercepat perpindahan panas dan menjaga suhu menjadi konstan dengan
ditunjukkan sebagian kecil dari bermacam penggunaan dalam lingkup ini.
c.
Adsorpsi: Proses adsorpsi
multistages fluid chart untuk pemisahan dan pemurnian kembali komponen gas.
2.
Operasi Secara Kimia
Contoh:
Reaksi gas dengan katalis padat dan reaksi padat dengan gas.
IX.
APLIKASI
FLUIDISASI DALAM INDUSTRI
a.
Gasifikasi : batubara
b.
Transportasi
Fluidisasi dapat terfluidisasikan sama
seperti cairan, sifat ini digunakan untuk transportasi padat berupa serbuk.
c.
Pencampuran bubuk halus (dengan
ukuran partikel berlainan)
d.
HE
e.
Pelapisan bahan peledak pada
permukaan logam
f.
Drying dan sizeing
X.
INDUSTRI YANG MENGGUNAKAN METODA FLUIDISASI
Beberapa Industry yang menggunakan
metoda fluidisasi adalah :
1. Proses desulfurisasi batubara
Proses desulfurisasi batubara
Tondongkurah, Sulawesi Selatan telah dilakukan dengan menggunakan larutan
hidrogen peroksida yang diencerkan dalam asam sulfat berkonsentrasi 0,1 N.
Percobaan desulfurisasi tersebut dilakukan dengan menggunakan peralatan kolom
fluidisasi yang mempunyai ukuran panjang 80 cm dengan diameter 3,5 cm. Kolom
dihubungkan dengan sebuah pompa sirkulasi yang mampu memberikan suplai larutan
dengan jumlah aliran yang diatur sebesar 100 cc per menit. Hasil percobaan
menunjukkan bahwa proses selama 2 jam dengan mempergunakan kolom tersebut mampu
mengurangi 13,9 persen jumlah sulfur yang terdapat di dalam batubara
Tondongkurah yang berukuran (-14+20) mesh. Perpanjangan waktu sirkulasi larutan
hidrogen peroksida dari 2 jam menjadi 6 jam mampu meningkatkan jumlah
pengurangan sulfur menjadi sebesar 42,3 persen. Hasil percobaan lainnya
menunjukkan bahwa perkecilan ukuran partikel batubara dari (-14+20) mesh menjadi
(-20+48) mesh mampu meningkatkan angka tersebut. Pada percobaan desulfurisasi
dengan ukuran batubara (-20+48) mesh selama 2 jam, jumlah pengurangan sulfur
adalah 19,6 persen. Demikian pula, apabila waktu sirkulasi dinaikkan menjadi 6
jam pengurangan sulfur meningkat menjadi 48,9 persen.
Percobaan gasifikasi dilakukan terhadap
contoh batubara Indonesia dengan menggunakan reactor gasifikasi sistem unggun
terfluidisasi digunakan batubara ukuran halus (-48 + 65 mesh). Gas pereaksi
masuk melalui plat distributor untuk mengangkat batubara dan pasir silica
sebagai unggun material dalam zona reaksi sehingga unggun terfluidisasi dan
terjadi proses pencampuran yang sempurna antara gas pereaksi dan batubara. Pada
kondisi fluidisasi suhu dalam reactor lebih merata dibanding dengan reaktor
sistem unggun tetap. Suhu reaktor sistem unggun fluidisasi adalah 900oC.
Gas hasil gasifikasi yang disebut gas sintetis (syngas) dilakukan pemurnian
dengan alat cyclone, condenser dan scrubber. Sesudah syngas dimurnikan kemudian
dianalisa komposisinya dengan menggunakan gas chromatography (GC).
I.
PENGERTIAN
FLUIDISASI
Fluidisasi adalah metoda pengontakan
butiran-butiran padat dengan fluida baik cair maupun gas. Dengan metoda ini
diharapkan butiran-butiran padat memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. Sebagai ilustrasi, tinjau
suatu kolom berisi sejumlah partikel padat
berbentuk bola. Melalui unggun padatan ini kemudian dialirkan gas dari
bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah, butiran padat akan tetap diam,
karena gas hanya mengalir dari bawah ke atas. Pada laju alir yang cukup rendah,
butiran padat akan tetap diam, karena gas hanya mengalir melalui ruang antar
partikel tanpa menyebabkan perubahan susunan partikel tersebut. Keadaan yang
demikian disebut unggun diam atau fixed bed. Keadaan fluidisasi unggun
diam tersebut ditunjukkan pada Gambar 1a.
Gambar 1 Skema unggun diam dan unggun
terfluidakan
Kalau
laju alir kemudian dinaikkan, akan sampai pada suatu keadaan di mana unggun
padatan akan tersuspensi di dalam aliran gas yang melaluinya. Pada keadaan ini
masing-masing butiran akan terpisahkan satu sama lain sehingga dapat bergerak
dengan lebih mudah. Pada kondisi butiran yang dapat bergerak ini, sifat unggun
akan menyerupai suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya adanya
kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya. Sifat
unggun terfluidisasi ini dapat dilihat pada Gambar 1b. 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 plastic 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.
Gambar 2 Sifat Cairan dalam Unggun
terfluidisasi
II.
FENOMENA
– FENOMENA FLUIDISASI
Fenomena-fenomena
yang dapat terjadi pada prose fluidisasi antara lain:
1. Fenomena
fixed bed yang 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 1a.
2. Fenomena
minimum or incipient fluidization yang 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 1b.
3. Fenomena
smooth or homogenously fluidization terjadi ketika kecepatan dan
distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun
sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam.
4. Fenomena
bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung –gelembung pada
unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen. Kondisi
ini ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar
4 Fenomena bubbling fluidization
5. Fenomena
slugging fluidization yang terjadi ketika gelembung-gelembung besar yang
mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel padat. Pada
kondisi ini terjadi penorakan sehingga partikel-partikel padat seperti
terangkat. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Fenomena slugging fluidization
6. Fenomena
chanelling fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel
padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini
ditunjukkan pada Gambar 6.
Fenomena
chanelling fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel
padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini
ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar
6 Fenomena chanelling fluidization
7. Fenomena
disperse fluidization yang terjadi saat kecepatan alir fluida melampaui
kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan
terbawa aliran fluida dan ekspansi mencapai nilai maksimum. Kondisi ini
ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7
Fenomena disperse fluidization
Fenomena-fenomena
fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:
1.
laju alir fluida dan jenis fluida
2.
ukuran partikel dan bentuk partikel
3.
jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel
4.
porositas unggun
5.
distribusi aliran,
6.
distribusi bentuk ukuran fluida
7.
diameter kolom
8.
tinggi unggun.
Faktor-faktor
di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akan
menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Pada praktikum fluidisasi
ini fluida yang digunakan adalah udara tekan. Butiran padat yang akan
difluidisasikan juga dapat bervariasi seperti butiran batu bara, batu bata,
pasir, dan sebagainya. Ukuran partikel juga divariasikan dengan melakukan
pengayakan dengan mesh tertentu. Densitas partikel dapat juga divariasikan
dengan menyampur partikel, baik yang berbeda ukuran maupun berbeda jenis.
Selain itu variasi juga dapat dilakukan pada tinggi unggun. Dalam praktikum ini
akan teramati fenomena-fenomena fluidisasi. Selama fluidisasi berlangsung juga
dapat diamati kecepatan minimum fluidisasi secara visual. Dari hasil pengukuran
tekanan dan laju alir fluida dibuat pula Kurva Karakteristik Fluidisasi.
Karakteristik unggun terfluidakan digambarkan pada kurva karakteristik
fluidisasi yang merupakan plot antara log U dan log ΔP. Persamaan yang digunakan
adalah Persamaan Ergun dan Persamaan Wen Yu.
III.
EVALUASI
PARAMETER-PARAMETER DALAM PERISTIWA FLUIDISASI
1.
Densitas Partikel
Penentuan
densitas partikel untuk zat padat yang tidak menyerap air atau zat cair lain
bisa dilakukan dengan memakai piknometer. Sedangkan untuk partikel berpori,
cara di atas akan menimbulkan kesalahan yang cukup besar karena air atau cairan
akan memasuki pori-pori di dalam partikel, sehingga yang diukur bukan lagi
densitas partikel (berikut pori-porinya) seperti yang diperlukan di dalam
persamaan-persamaan yang ditulis di muka, tetapi densitas bahan padatnya (tidak
termasuk pori-pori di dalamnya). Untuk partikel-partikel yang demikian, ada
cara lain yang biasa digunakan, yaitu dengan memakai metoda yang diturunkan
Ergun.
2. Bentuk Partikel
Didalam
persamaan-persamaan yang telah diturunkan sebelumnya partikelpartikel padatnya
dianggap sebagai butiran-butiran yang berbentuk bola dengan diameter rata-rata
dp. Untuk partikel-partikel yang mempunyai bentuk lain, harus diadakansuatu
koreksi yang menyatakan bentuk sebenarnya partikel yang ditinjau. Faktor
koreksi ini disebut sebagai faktor bentuk atau derajat kebolaan suatu partikel
yang didefinisikan sebagai:
Derajat
kebolaan (θs) bisa dipakai langsung dalam persamaan-persamaan terdahulu dengan
mengganti dp menjadi θs.dp, sehingga persamaan Ergun dapat ditulis menjadi:
dimana
θs = 1 untuk partikel berbentuk bola
θs < 1 untuk partikel berbentuk bola
3.
Diameter Partikel
Diameter
partikel biasanya diukur berdasarkan analisa ayakan.
4.
Porositas Unggun
Porositas
unggun menyatakan fraksi kosong di dalam unggun yang secara matematik bisa
ditulis sebagai berikut:
dimana
ε = porositas unggun
Vu = volume unggun
Vp = volume partikel
Harga
porositas unggun ini sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri butiran padat yang
membentuk unggun tersebut, atau dengan perkataan lain, porositas unggun
merupakan fungsi dari faktor bentuk atau derajat kebolaan partikel-partikelnya.
Salah satu hasil eksperimen yang menggambarkan pengaruh derajat kebolaan
terhadap porositas unggun diberikan oleh Brown.
IV.
HILANG TEKAN (PRESSURE
DROP)
Aspek utama yang akan ditinjau dalam percobaan ini adalah
mengetahui besarnya hilang tekan (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.
1. Hilang
Tekan Dalam Unggun Diam
Korelasi-korelasi
matematik yang menggambarkan hubungan antara kehilangan tekanan dengan laju
alir fluida di dalam suatu sistem unggun diperoleh melalui metode-metode yang
bersifat semi empiris dengan menggunakan bilangan-bilangan yang tak berdimensi.
Untuk aliran laminer dimana kehilangan energi terutama disebabkan oleh “Viscous
Loses”, Blake memberikan hubungan sebagai berikut:
.........(1)
Dimana: ∆P = Kehilangan
tekanan per satuan panjang atau tinggi ukuran
gc =
Faktor konversi
µ =
Viskositas fluida
ε =
Porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong di
dalam unggun dengan volume unggunnya
U =
Kecepatan alir superfisial fluida
s =
Luas permukaan spesifik partikel
Luas
permukaan spesifik partikel (luas permukaan per satuan volume unggun), dihitung
berdasarkan korelasi berikut:
.........(2)
Sehingga persamaan (1) menjadi:
.........(3)
atau, .........(4)
.........(4)
Persamaan
(4) ini kemudian diturunkan lagi oleh Konzeng dengan mengamsusikan bahwa unggun
zat padat tersebut adalah ekivalen dengan satu kumpulan saluran-saluran lurus
yang paralel yang mempunyai luas permukaan dalam total dan volume total
masing-masing sama dengan luas permukaan luar partikel dan volume ruang
kosongnya. Harga konstanta k’ yang diperoleh beberapa peneliti sedikit berbeda,
sepertti misalnya:
Konzeng (1927) k’= 150
Carman (1937) k’= 180
US Bureaunof Mines (1951)
k’= 200
Untuk aliren turbulen, persamaan (4) tidak bisa
dipergunakan lagi, sehingga Ergun (1952) kemudian menurunkan rumus lain dimana
keholangan tekanan digambarkan sebagai gabungan dari “Viscous Losses” dan
“Kinetic Energy Losses”.
.........(5)
Viscous Losses Kinetic
Energy Losses
Dimana:
k1 = 150
k2 = 1,75
Pada
keadaan ekstrim, yaitu:
a. Aliran
laminer (Re=20), sehingga term II bisa diabaikan
b. Aliran
turbulen (Re=1000), sehingga term I bisa diabaikan
2. Hilang
Tekan Dalam Unggun Terfluidisasikan (Fluidized Bed)
Untuk unggun terfluidisasikan
persamaan yang menggambarkan ∆P/L dan U yang biasanya digunakan adalah
persamaan Ergun, yaitu:
....(6)
Dimana εf adalah porositas unggun pada
keadaan terfluidisasikan. Pada keadaan ini dimana partikel-partikel zat padat
seolah-olah terapung di dalam fluida, akan terjadi kesetimbangan antara berat
partikel dengan gaya apung dari fluida di sekelilingnya.
Gaya berat oleh fluida yang naik = berat partikel – gaya apung
Atau:
[kehilangan tekanan pada unggun][Luas
penampang]=[volume unggun][densitas zat padat – densitas fluida]
[∆P][A] =
[A.t][1-εf][ρp-ρp] g/gc .....(7)
= ][1-εf][ρp-ρp]
g/gc .....(8)
V.
KECEPATAN MINIMUM FLUIDISASI
Yang
dimaksud kecepatan minimum fluidisasi (Umf), adalah kecepatan superficial fluida
minimum dimana fluida mulai terjadi. Harga Umbisa diperoleh dengan
mengkombinasikan persamaan (6) dengan persamaan (8)
VI.
KARAKTERISTIK
UNGGUN TERFLUIDISASIKAN
Karakter
unggun terfluidisasikan biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik antara
penurunan tekanan (∆P) dan kecepatan superfisial fluida (U). Untuk keadaan yang
ideal, kurva hubungan ini berbentuk seperti dalam gambar 8
Gambar 8. Kurva Karakteristik Fluidisasi Ideal
Keterangan:
Garis AB : menunjukkan kehilangan
tekanan pada daerah unggun diam
Garis BC : menunjukkan keadaan
dimana unggun telah terfluidakan
Garis DE: menunjukkan kehilangan
tekanan pada daerah unggun diam pada waktu kita menurunkan kecepatan air fluida
. Harga penurunan tekanan untuk kecepatan aliran fluida tertentu, sedikit lebih
rendah daripada harga penurunan tekanan pada saat awal operasi. Penyimpangan
dari keadaan ideal:
1. 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 (ΔP) sesaat sebelum fluidisasi
terjadi. Fenomena interlock ini dapat dilihat pada Gambar 9, terjadi
pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi
unggun terfluidakan.
2. Fluidisasi
heterogen (aggregative fluidization)
Jenis penyimpangan yang lain adalah kalau
pada saat fluidisasi partikel-partikel padat tidak terpisah-pisah secara
sempurna tetapi berkelompok membentuk suatu agregat. Keadaan yang seperti ini
disebut sebagai fluidisasi heterogen atau aggregative fluidization. Tiga
jenis fluidisasi heterogen yang biasa terjadi adalah karena timbulnya:
a.
penggelembungan (bubbling)
b.
penorakan (slugging)
c.
saluran-saluran fluida yang terpisahkan (chanelling)
Gambar
9 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock
Gambar 10. Tiga jenis
fluidisasi heterogen
a.
Bubbling
Dimana saat fluidisasi terjadi di
kolom fluidisasi, pada permukaan unggun padat terjadi ledakan-ledakan kecil
(gelembung-gelembung pecah pada permukaan unggun padat)
b.
Slugging
Pada saat fluidisasi terjadi di
dalam kolom fluidisasi, pada permukaan partikel unggun padat terjadi
ledakan-ledakan kecil menyerupai payung, tetapi letaknya tidak beraturan
(berpindah tempat)
c.
Channeling
Pada saat fluidisasi terjadi dalam
kolom fluidisasi, pada permukaan unggun padat terjadi ledakan-ledakan kecil
menyerupai payung, teatpi letaknya tetap.
VII.
KEUNTUNGAN
DAN KERUGIAN FLUIDISASI
a.
Keuntungan fluidized bed
1.
Kebocoran seperti pada aliaran cairan dan partikel-partikel memberikan
kontrol secara kontinyu.
2.
Kecepatan pencampuran solid
mendekati kondisi isothermal, tekanan melalui reaktor dimana operasi dapat
dikontroldengan mudah.
3.
Sirkulasi solid oleh fluidized bed
membuatnya mungkin untuk transportasi dengan jumlah yang sangat banyak.
b.
Kerugian fluidized bed
1.
Sulit menggambarkan aliran gas
dengan deviasi besar dari sumber aliran dan dengan passing dari solute dan
gelembung-gelembung menyebabkan tidak efisiennya sistem kontak. Hal ini menjadi
serius bila konversi tinggi dan reaktan-reaktan dibutuhkan.
2.
Kecepatan penguapan solid dalam
uniformnya. Waktu tinggal solid ini memberikan konversi lebih efektif dengan
kata lain untuk mengerjakan solid secara batch. Pencampuran ini menolong karena
memberikan produk solid seragam untuk reaksi-reaksi katalitik.
3.
Erosi pipa dan tempat abrasi
partikel.
4.
Untuk pengoperasian luas katalitik
pada tempat operasi yang berpengaruh terhadap kecepatan reaksi.
VIII.
PENGGUNAAN
PROSES FLUIDISASI DALAM INDUSTRI
1.
Operasi Secara Fisik (Physical
Operation), seperti:
a.
Transportasi: Sifat fluidisasi pada
fluidized bed juga merupakan sifat yang sama dengan cairan dan sifat ini sangat
efektif digunakan untuk alat transportasi dari bubuk padatan.
b.
Heat Exchanger (HE): Fluidized bed dapat
digunakan untuk HE operasi fisik dan kimia kareana kemampuannya untuk
mempercepat perpindahan panas dan menjaga suhu menjadi konstan dengan
ditunjukkan sebagian kecil dari bermacam penggunaan dalam lingkup ini.
c.
Adsorpsi: Proses adsorpsi
multistages fluid chart untuk pemisahan dan pemurnian kembali komponen gas.
2.
Operasi Secara Kimia
Contoh:
Reaksi gas dengan katalis padat dan reaksi padat dengan gas.
IX.
APLIKASI
FLUIDISASI DALAM INDUSTRI
a.
Gasifikasi : batubara
b.
Transportasi
Fluidisasi dapat terfluidisasikan sama
seperti cairan, sifat ini digunakan untuk transportasi padat berupa serbuk.
c.
Pencampuran bubuk halus (dengan
ukuran partikel berlainan)
d.
HE
e.
Pelapisan bahan peledak pada
permukaan logam
f.
Drying dan sizeing
X.
INDUSTRI YANG MENGGUNAKAN METODA FLUIDISASI
Beberapa Industry yang menggunakan
metoda fluidisasi adalah :
1. Proses desulfurisasi batubara
Proses desulfurisasi batubara
Tondongkurah, Sulawesi Selatan telah dilakukan dengan menggunakan larutan
hidrogen peroksida yang diencerkan dalam asam sulfat berkonsentrasi 0,1 N.
Percobaan desulfurisasi tersebut dilakukan dengan menggunakan peralatan kolom
fluidisasi yang mempunyai ukuran panjang 80 cm dengan diameter 3,5 cm. Kolom
dihubungkan dengan sebuah pompa sirkulasi yang mampu memberikan suplai larutan
dengan jumlah aliran yang diatur sebesar 100 cc per menit. Hasil percobaan
menunjukkan bahwa proses selama 2 jam dengan mempergunakan kolom tersebut mampu
mengurangi 13,9 persen jumlah sulfur yang terdapat di dalam batubara
Tondongkurah yang berukuran (-14+20) mesh. Perpanjangan waktu sirkulasi larutan
hidrogen peroksida dari 2 jam menjadi 6 jam mampu meningkatkan jumlah
pengurangan sulfur menjadi sebesar 42,3 persen. Hasil percobaan lainnya
menunjukkan bahwa perkecilan ukuran partikel batubara dari (-14+20) mesh menjadi
(-20+48) mesh mampu meningkatkan angka tersebut. Pada percobaan desulfurisasi
dengan ukuran batubara (-20+48) mesh selama 2 jam, jumlah pengurangan sulfur
adalah 19,6 persen. Demikian pula, apabila waktu sirkulasi dinaikkan menjadi 6
jam pengurangan sulfur meningkat menjadi 48,9 persen.
Percobaan gasifikasi dilakukan terhadap
contoh batubara Indonesia dengan menggunakan reactor gasifikasi sistem unggun
terfluidisasi digunakan batubara ukuran halus (-48 + 65 mesh). Gas pereaksi
masuk melalui plat distributor untuk mengangkat batubara dan pasir silica
sebagai unggun material dalam zona reaksi sehingga unggun terfluidisasi dan
terjadi proses pencampuran yang sempurna antara gas pereaksi dan batubara. Pada
kondisi fluidisasi suhu dalam reactor lebih merata dibanding dengan reaktor
sistem unggun tetap. Suhu reaktor sistem unggun fluidisasi adalah 900oC.
Gas hasil gasifikasi yang disebut gas sintetis (syngas) dilakukan pemurnian
dengan alat cyclone, condenser dan scrubber. Sesudah syngas dimurnikan kemudian
dianalisa komposisinya dengan menggunakan gas chromatography (GC).
