Bab 7 Pressure Drop Pada Fluidisasi [PDF]

Citation preview

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 padatan 1) 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 (u t) 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 2. 3. 4.



5.



padat secara kontinu Kecepatan pencampuran padatan yang tinggi menyebabkan reaktor selalu berada pada keadaan isotermal, sehingga memudahkan pengendaliannya. Perpindahan massa dan panas antara fluida dan padatan lebih baik dibandingkan dengan unggulan diam. Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindahan panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang mempunyai luas permukaan lebih kecil. Memungkinkan operasi dalam skala besar.



Beberapa kerugian pemakaian unggun terfluidakan : 1. Selama operasi partikel – partikel padat mengalami pengikisan 2. 3. 4.



5.



sehingga karakteristik fluidisasi bisa berubah dari waktu ke waktu Butiran halus akan terbawa aliran fluida sehingga mengakibatkan kehilangan sejumlah tertentu padatan. Terjadinya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin oleh partikel padatan. 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. 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 kecepatan 1) daerah unggun statis, 2) daerah peralihan 2) 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 D p 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 : Pactiles (Bentuk Part)



Size (mm) 0. 02



0. 05



0.07



0.20



0.30



0.40



Sharp sand  = 0,67



-



0.60



0.59



0.54



0.50



0.49



Round sand  = 0,86



-



0.56



0.52



0.44



0.42



-



Mixed round sand



-



-



0.42



0.41



-



-



0.72



0.67



0.64



0.57



0.56



-



-



0.62



0.61



0.56



0.53



0.51



0.74



0.72



0.71



-



-



-



-



-



-



0.56



0.55



-



-



0.61



0.59



0.48



-



-



Coal and glass powder Anthracite coal  = 0,63 Absorption carbon Fischer-Tropsch catalyst,  = 0, 58 Carborundum



Tabel 8.1 Porositas pada kondisi flluidisasi minimum



 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 : L  L0 L M  1 0 L L



(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. 1  1 L2  L1 1  2  (8-3) ε1 dan ε2 adalah porositas untuk tinggi L1 dan L2



  Kecepatan fluidisasi minimum



Fluidisasi akan terjadi apabila : Gaya tekan ke atas oleh gas = berat partikel  penurunan tekn   pada unggun  



 luas penamp.  volume       bejana unggun    



 rapat massa    pada tan  



(P) (A) = (A. LMf) (1 – εMf) [p - ) g/gc] (8 – 4) Atau P / LMf = (1 – εMf) [p - ) g/gc] (8 – 5) LMf : tinggi unggun pada fluidisasi A : luas penampang p : rapat massa partikel 



: rapat massa fluida



Kecepatan superfisial pada kondisi fluidisasi minimum, Umf, diperoleh dengan mengkombinasikan persamaan (8 – 5) dan (6– 6) (1   Mf ) (  p   ) g 



150 (1   Mf ) 2  . u Mf







uMf =  Untuk Re>100



uMf2 =



 Mf 3 D p



3



 Dp3 x 2 3  (1   Mf ) D p  (  p   ) g 150 (1   Mf )  D p . u Mf .   D . u .    1, 75 p Mf      3 3  2    2  Mf  .      Mf



 (8 – 6)  Untuk Re