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

Gambar II.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 II.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.

Penggunaan operasi fluidisasi didalam industry

1. 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 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.

II.2 Porositas Minimum

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

Gambar II.1 : 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 II.3 Porositas pada kondisi fluidisasi minimum

II.4 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

II.5 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)

II.3 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 II.3 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 II.3 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

Contoh Soal :

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

berat kumulatif dari sampel unggun (g)

r_p = 1 g/cm³

e_Mf = 0,4

f_s = 1

diameter partikel

(m)

150

270

330

360

100

125

150

175

Udara masuk ke kolom pada p atm dan meninggalkan kolom pada 20^oC, 1 atm. Sifat udara pada kondisi keluar dari kolom :

m = 0,0178 cpoise

r = 0,00124 g/cm³

Penyelesaian :

- Perhitungan diameter rata-rata, D_p:

range diameter m	dpi (m)	fraksi berat dlm interval (xi)	x/dp
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 total x/dp = 0,010213

D_p=

= 98 m = 0,0098 cm

- Kecepatan superfisial minium (u_Mf) terjadi pada dasar kolom, dimana tekanan adalah tertinggi.

Dengan D_p = 98 m kita boleh menganggap bahwa unggun terdiri atas partikel-partikel kecil (dengan N_R_f < 20) :

U_Mf =

.................................................... (pers. 8.7)

; r_p – r dianggap = 1

= 0,3759 cm/s

Cek harga Re_p

Re_p =

= 0,025 p

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

Catatan :

Perhitungan rapat massa gas pada dasar menara (tekanan = p atm)

Operasi berlangsung secara isotermal (20^oC), maka :

P₁ . V₁ = P₂ . V₂

P₁/r₁ = P₂/r₂

r₂ =

= 0,001204 p g/cm³

P₁ = 1 atm

P₂ = p atm

r₁ = 0,001204 g/cm³

- Kecepatan superfisial maksimum terjadi pada puncak menara, dimana tekanan adalah minimum. Karena diinginkan tidak ada entrainment, maka kecepatan udara di puncak menara haruslah < u_t. Penentuan u_t didasarkan pada diameter partikel yang terkecil, yaitu 50 m. Sekali lagi, untuk partikel yang kecil, dianggap Re_p < 0,4 (lihat bab 5).

u_t =