LAPORAN PRAKTIKUM UNIT OPERATION LAB
KONVEKSI
LAPORAN PRAKTIKUM UNIT OPERATION LABDEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
UNIVERSITAS INDONESIA-DEPOK 2014
OLEH:CHARLIE HUTAJULU1306482003FARAH DIBA TOYA120JUPITER
ERESTA120MUHAMMAD MUCHTAZAM120
PEMBIMBING: Ibu Dianursanti
BAB IPENDAHULUAN
Latar BelakangFluidisasi adalah sebuah fenomena berubahnya sifat
suatu padatan (bed) di dalam suatu reaktor sehingga bed memiliki
sifat seperti fluida. Hal ini terjadi karena adanya aliran fluida
ke dalamnya baik berupa cairan maupun gas. Dalam industri kimia,
contoh proses fluidisasi adalah proses katalisasi dan proses
pemurnian gas. Aplikasi lainnya adalah untuk setiap proses yang
menggunakan fixed bed, fluidized bed, dan proses transport. Hal
penting yang patut diperhatikan dalam proses fluidisasi adalah
jenis dan tipe fluidisasi serta spesifikasi dan cara kerja
alatnya.Proses fluidisasi diaplikasikan dalam dunia industri
dimulai tahun 1926 untuk Gasifier Winkler berskala besar kemudian
diikuti oleh Fluidized-bed Catalytic Cracking (FCC) crude oil
menjadi bensin pada tahun 1942. Pada tahun 1990, aplikasi tersebut
semakin berkembang dan proses fluidisasi dapat diklasifikasikan
menjadi proses-proses kimia katalitik (contohnya FCC dan sintesis
Fischer-Tropsch), proses-proses kimia nonkatalitik (seperti thermal
cracking dan gasifikasi batu bara), dan proses-proses fisik
(contohnya proses pengeringan dan absorpsi).Berikut adalah contoh
fluidisasi:1. Transportasi serbuk padatan (conveyor untuk solid)2.
Pencampuran padatan halus3. Perpindahan panas (contoh: pendinginan
untuk bijih alumina panas)4. Pelapisan plastik pada senyawa logam5.
Proses drying dan sizing dalam pembakaran6. Prose pertumbuhan
partikel dan kondensasi bahan yang dapat mengalami sublimasi7.
Adsorpsi
Tujuan PercobaanTujuan percobaan ini adalah:1. Mengetahui
perilaku bed yang terfluidisasi 2. Mengetahui pengaruh fluidisasi
terhadap profil temperature bed dan di luar bed
Rumusan MasalahBeberapa pertanyaan yang muncul dalam jalannya
percobaan ini adalah:1. Bagaimana cara mengetahui kecepatan
superficial dalam suatu proses fluidisasi?2. Apakah pengaruh
pressure drop terhadap ketinggian unggun?3. Apakah peranan heater
dan termokopel dalam proses fluidisasi?4. Apa saja contoh penerapan
proses fluidisasi dalam dunia industri?
Pembatasan MasalahPercobaan fluidisasi ini dilakukan dengan
beberapa batasan; sampai mengetahui fenomena kecepatan superfisial
pada proses fluidisasi dan melihat pengaruh suhu, laju alir udara,
serta ketinggian heater dan termokopel. Dari perlakuan semacam ini,
kita dapat mengetahui hubungan parameter yang divariasikan tadi
dengan pressure drop yang terjadi.BAB IIDASAR TEORI
1. Fenomena FluidisasiJika suatu aliran udara melewati suatu
partikel unggun yang ada dalam tabung, maka aliran tersebut akan
memberikan gaya seret (drag force) pada partikel dan memberikan
pressure drop sepanjang unggun. Pressure drop akan naik jika
kecepatan superficial naik.Jika kecepatan superficial rendah, maka
unggun mula-mula diam. Jika kecepatan superficial dinaikkan maka
pada suatu saat gaya seret fluida menyebabkan unggun mengembang dan
tahanan terhadap aliran udara mengecil sampai akhirnya gaya seret
tersebut cukup untuk mendukung gaya parikel unggun dan unggun akan
terfluidisasi.Konsep dasar dari suatu partikel unggun yang
terfluidisasi dapat diilustrasikan dengan fenomena yang terjadi
jika adanya perubahan laju alir gas seperti pada gambar di bawah
ini.
Gambar 1. Fenomena fluidisasi dengan variasi laju alir
gasFenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat
diilustrasikan pada gambar berikut ini.
P1Gas inP2BedxGambar 2. Fenomena fluidisasi pada sistem
gas-padatAdapun fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada proses
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 3.
Gambar 3. Fenomena fixed bed2. 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 4.
Gambar 4 Fenomena minimum or incipient fluidization3. 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. Lihat gambar 5.
Gambar 5. Fenomena smooth or homogrnously fluidization4.
Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung
gelembung pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi
partikel tidak homogen. Kondisi ini bisa dilihat gambar 6.
Gambar 6. Fenomena bubbling fluidization5. 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 dapat
dilihat pada gambar 7.
Gambar 7. fenomena slugging fluidization6. Fenomena chanelling
fluidization yang terjadi ketika dalam ungggun partikel padatan
terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini
ditunjukkan pada gambar 8.
Gambar 8. Fenomena chanelling fluidization7. 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 9.
Gambar 9. Fenomena disperse fluidizationFenomena-fenomena
fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:1. Laju
alir fluida dan jenis fluida2. Ukuran partikel dan bentuk
partikel3. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar
partikel4. Porositas unggun5. Distribusi aliran,6. Distribusi
bentuk ukuran fluida7. Diameter kolom8. Tinggi unggunFaktor-faktor
di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang
akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Selain
itu, fenomena pada gambar 2 dapat dijelaskan melalui persamaan
Bernoulli dengan aliran laminer sebagai berikut, yaitu:
(1) dan Pada gambar 2 tersebut, terlihat bahwa perbedaan tekanan
sepanjang unggun secara linear berbanding lurus dengan laju alir
volumetrik selama fluidisasi belum tercapai. Jika padatan berupa
partikel seperti pasir, ketahanan partikel tersebut terhadap aliran
fluida akan menurun dengan meningkatnya porositas partikel
tersebut. Pengukuran P pada sepanjang unggun dapat dinyatakan
dengan persamaan sbb.
(2)Maka bila Vs meningkat, meningkat dan P dijaga agar konstan.
Dalam hal ini x juga akan meningkat, akan tetapi pengaruh dari
kenaikan x ini lebih kecil dibandingkan pengaruh yang ditimbulkan
oleh perubahan . Adapun hubungan x, P dan kecepatan aliran fluida
dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar 10. Transition from packed bed to fluidized bedUntuk
kecepatan yang kurang dari kecepatan fluidisasi minimum (Umf) maka
unggun akan berprilaku sebagai packed bed. Namun, jika kecepatan
aliran fluida dinaikkan melebihi Umf, maka tidak hanya unggun yang
terangkat, tetapi partikel akan bergerak dan akan saling
berbenturan satu sama lain dan akhirnya keseluruhan massa partikel
akan menjadi fluida.
Jenis-jenis FluidisasiFluidisasi terdiri atas beberapa jenis,
diantaranya:1. Fluidisasi PartikulatFluidisasi Partikulat merupakan
suatu proses fluidisasi di mana partikel-partikel bergerak menjauh
satu sama lain dan gerekannya bertambah hebat dengan bertambahnya
kecepatan. Tetapi, densitas hamparan rata-rata pada suatu kecepatan
tertentu adalah sama di segala arah hamparan. Ciri dari proses ini
adalah adanya ekspansi hamparan yang cukup besar tetapi seragam
pada kecepatan yang cukup tinggi. Seiring dengan bertambahnya
kecepatan fluida dan penurunan tekanan, maka unggun akan
terekspansi dan pergerakan partikel semakin cepat. Jalan bebas
rata-rata suatu partikel di antara tumbukan-tumbukan dengan
partikel lainnya akan bertambah besar dengan meningkatnya kecepatan
fluida. Akibatnya porositas unggun akan meningkat.2. Fluidisasi
Agregat/ Fluidisasi GelembungHamparan zat padat yang terfluidisasi
dalam udara biasanya menunjukkan peristiwa yang dikenal dengan
fludisasi agregat atau gelembung. Fluidisasi ini terjadi jika
kecepatan gas di atas kecepatan fluidisasi minimum. Pada kondisi
ini unggunakan mengalami bubbling dan rongga-rongga seperti
gelembunguap akan membangkitkan sirkulasi partikel unggun.Dalam
fluidisasi gelembung pengembangan volume hamparan terutama
disebabkan oleh volume yang dipakai oleh gelembung gas karena fasa
rapat pada umumnya tidak berekspansi dengan peingkatan aliran. Akan
tetapi jika kecepatan ditambah maka hamparan akan mengembang secara
seragam sehingga akhirnya gelembung mulai terbentuk. Dan jika
kecepatan ditingkatkan lagi sampai melewati titik gelembung,
hamparan itu akan berangsur-angsur mengempis kembali, tetapi akan
mengembung lagi. Kriteria untuk fluidisasi partikulat dan agregat
dapat ditentukan dengan bilngan Froude : v2/(gDp) yang dipakai
untuk menentukan apakah suatu sistem akan terfluidisasi partikulat
atau terfluidisasi agregat.3. Fluidisasi KontinuBila kecepatan
fluida melalui hamparan zat padat cukup besar, maka semua partikel
dalam hamparan itu akan terbawa ikut oleh fluida hingga memberikan
suatu fluidisasi kontinu. Prinsip fluidisasi ini terutama
diterapkan dalam pengangkutan zat padat dari suatu titik ke titik
lain dalam suatu pabrik pengolahan di samping ada beberapa reaktor
gas zat padat lama yang bekerja dengan prinsip ini. Contohnya
adalah dalam tranportasi lumpur dan tranportasi pneumatic.Dalam
fluidisasi, karena sifat-sifat partikel padat yang menyerupai sifat
fluida cair dengan viskositas tinggi, metoda pengontakan fluidisasi
memiliki beberapa keuntungan dan kerugian. Keuntungan proses
fluidisasi, antara lain:1. Sifat unggun yang menyerupai fluida
memungkinkan adanya aliran zat padat secara kontinu dan memudahkan
pengontrolan.2. Kecepatan pencampuran yang tinggi membuat reaktor
selalu berada dalam kondisi isotermal sehingga memudahkan
pengendaliannya.3. Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua
unggun fluidisasi memungkinkan pemindahan jumlah panas yang besar
dalam reaktor.4. Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass
antara partikel cukup tinggi.5. Perpindahan panas antara unggun
terfluidakan dengan media pemindah panas yang baik memungkinkan
pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas permukaan
kecil.Sebaliknya, kerugian proses fluidisasi antara lain:1. Selama
operasi partikel-partikel padat mengalami pengikisan sehingga
karakteristik fluidisasi dapat berubah dari waktu ke waktu.2.
Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya
sejumlah tertentu padatan.3. Adanya erosi terhadap bejana dan
sistem pendingin.4. Terjadinya gelombang dan penorakan di dalam
unggun sering kali tidak dapat dihindari sehingga kontak antara
fluida dan partikel tidak seragam. Jika hal ini terjadi pada
reaktor, konversi reaksi akan kecil.
Penurunan Tekanan (Pressure Drop)Salah satu aspek yang akan
ditinjau dalam percobaan ini adalah mengetahui besarnya penurunan
tekanan (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. Korelasi-korelasi matematik yang menggambarkan
hubuangan antara hilang tekan dengan laju alir fluida di dalam
suatu sistem unggun diam diperoleh pertama kali pada tahun 1922
oleh Blake melalui metoda-metoda yang bersifat semi empiris, yaitu
dengan menggunakan bilangan-bilangan tidak berdimensi. Untuk aliran
laminer dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh gaya
viscous, Blake memberikan hubungan :
(3)dimana:P/L= penurunan tekanan per satuan panjang/ tinggi
unggungc = faktor gravitasi =viskositas fluida = porositas unggun
yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong didalam
unggun dengan volume unggunu =kecepatan alir superfisial fluidaS =
luas permukaan spesifik partikel
Sifat dan Karakteristik Partikel UnggunBerikut ini akan
diuraikan beberapa macam sifat dan karakteristik partikel unggun:a.
Ukuran partikelPadatan dalam unggun yang terfluidisasi tak pernah
sama dalam ukuran dan mengacu pada distribusi ukuran partikel
tersebut. Untuk menghitung ukuran partikel rata-rata dengan
menggunakan diameter rata-rata permukaan (dsv).
(4)di mana dp = diameter partikel rata-rata yang secara umum
digunakan untuk desain dsv = diameter dari suatu bidangb. Densitas
padatanPadatan dapat dibedakan menjadi 3 bagian berdasarkan
densitasnya yaitu bulk, skeletel, dan particle. Densitas bulk
merupakan pengukuran berat dari keseluruhan partikel dibagi dengan
volume partikel. Pengukuran ini menyertakan faktor kekosongan dalam
pori-pori partikel. Skeletel adalah densitas suatu padatan jika
porositasnya nol. Adapun densitas partikel adalah berat dari suatu
partikel dibagi dengan volumenya dengan menyertakan pori-pori. Jika
tidak ada nilai untuk densitas partikel, maka pendekatan untuk
densitas partikel dapat diperoleh dengan membagi dua densitas
bulk.c. SphericitySphericity merupakan faktor bentuk yang
dinyatakan sebagai rasio dari area permukaan volume partikel bulat
yang sama dengan partikel itu dibagi dengan area permukaan
partikel.
(5)Material yang melingkar seperti katalis dan pasir bulat
memiliki nilai sphericity sebesar 0.9 atau lebih.
d. Kecepatan terminalKecepatan terminal suatu partikel (Ut)
merupakan kecepatan gas yang dibutuhkan untuk mengatur partikel
tunggal yang tersuspensi dalam aliran gas. Kecepatan terminal suatu
partikel dinyatakan dalam persamaan:
(6)Dalam aliran laminer dan mengikuti Hukum Stokes:
(7)
(8)Jadi, kecepatan terminal untuk partikel tunggal berbentuk
bulat adalah
(9)untuk Rep < 0.4Dan untuk partikel besar dengan Cd =
0.43
(10)untuk Rep > 500
(11)Persamaan ini mengindikasikan bahwa untuk partikel yang
berukuran kecil viskositas merupakan faktor dominan setiap gas dan
untuk partikel berukuran besar densitas merupakan faktor yang
terpenting. Kedua persamaan di atas mengabaikan gaya antar
partikel. Secara umum kecepatan selip (Uselip) atau kecepatan
efektif terminal untuk partikel dalam suspensi (U*t) adalah:Uselip
= U*t = Ut . f()
(12)Kekosongan f() dari unggun yang terfluidisasi adalah fraksi
mol yang terjadi oleh gas. Fungsi t dapat dinyatakan dengan
pendekatan Kozeny-Charman berikut.f() = 0.1 2/(1- )
(13)Pendekatan lain yang digunakan untuk sistem banyak fasa
yaitu korelasi Richardson-Zaki untuk partikel tunggal dalam
suspensi, yaitu:U/Ut = nn merupakan fungsi dari dp/D dan bilangan
Re yang divariasikan.e. Kecepatan Fluidisasi Minimum (Umf)Kecepatan
fluidisasi minimum adalah kecepatan superficial terendah yang
dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi. Umf dapat dicari dengan
menggunakan persamaan
(14)Umf = [(1135.7+0.0408Ar)0.5-33.71]/(gdp)
(15)Di mana bilangan Archimides (Ar) adalah :Ar = gdp3(p -
g)g/2Untuk memprediksi Umf, Ergun menurunkan suatu korelasi dengan
cara menyamakan pressure drop pada saat Umf dengan berat unggun
persatuan luas dan diperoleh persamaan sebagai berikut.
(16)
Suku pertama persamaan Ergun dominan untuk aliran laminer
sedangkan suku kedua dominan pada aliran turbulen. Pengukuran Umf
dapat diperoleh dari grafik P vs Umf, yaitu sesuai titik potong
atau antara bagian kurva yang datar seperti yang digambarkan pada
gambar 10.f. Batas partikelPartikel diklasifikasikan berdasarkan
bagaimana partikel tersebut terfluidisasi dalam udara pada kondisi
tertentu. Partikel tersebut dapat diklasifikasikan menjadi:
Partikel halus Partikel kasar Kohesif, partikel yang sangat halus
Unggun yang bergerakg. Gaya antar partikelGaya antar partikel
sering kali diabaikan dalam fluidisasi meskipun dalam banyak kasus
gaya ini lebih kuat dibandingkan hydrodinamic yang digunakan dalam
banyak korelasi. Gaya antar partikel yang berhubungan atau
berkaitan dengan unggun yang terfluidisasi, misalnya van der waals,
elektrostatik, dan kapilaritas.h. Daerah batas fluidisasi
(fluidization regimes)Pada kecepatan gas rendah, suatu padatan
dalam tabung unggun akan berada pada kondisi konstan seiring dengan
bertambahnya kecepatan gas, gaya seret, dan gaya buoyant
mengalahkan berat partikel serta gaya antar partikel tersebut. Pada
fluidisasi minimum partikel memperlihatkan pergerakan yang minimal
dan secara langsung unggun akan sedikit terangkat.
i. Penurunan tekanan
(17)Penurunan tekanan yang terjadi pada campuran dua fasa
dinyatakan dalam beragam bentuk, seperti static head, akselerasi
dan kehilangan friksi untuk gas dan padatan. Untuk aplikasi
fluidisasi unggun di luar kondisi ketika akselerasi penurunan
tekanan dapat diterima, penurunan tekanan akan dihasilkan dari
static head padatan. Untuk itu, berat suatu partikel unggun jika
dibagi dengan tinggi padatan akan menghasilkan densitas
sesungguhnya dari unggun yang terfluidisasi. Formulanya dirumuskan
sebagai berikut :PLpggcPerilaku Gelembung pada Ketinggian ungguna.
Perilaku GelembungGelembung yang lebih besar cenderung naik lebih
cepat dibanding gelembung yang kecil sehingga antar gelembung akan
terjadi tumbukan dan bergabung (coalescence) dan gelembung semakin
bertambah besar. Dinding tabung juga mempengaruhi gerekan gelembung
sehingga gelembung cenderung bergerak ke arah dalam unggun.Mengacu
pada teori gelembung dua fasa dan fluidisasi, semua gas yang
dibutuhkan untuk fluidisasi minimum melewati unggun dalam proses
pembentukan gelembung. Gelembung meningkat melalui unggun dalam 2
kondisi yang berbeda. Gelembung yang meningkat secara padat dapat
terjadi pada kecepatan gas kurang dari Umf dan hal ini memberikan
kesempatan untuk gas melewati partikel unggun dan sirkuit pendek
melalui gelembung menuju ke permukaan unggun.
(18)Kecepatan suatu gelembung yang bertambah besar melalui
fluida unggun dinyatakan dalam rumus:Uhr = 0.71(gDb)0.5
(19)Jika terjadi slugging, berlaku persamaanUhr = Uslug =
0.35(gD)0.5
(20)Jadi kecepatan aktual peningkatan gelembung dalam unggun
yang terfluidisasi dinyatakan dengan rumus:Ub = (U-Umf)+Ubrb.
Ketinggian unggunTinggi unggun dapat diplot terhadap kecepatan
superficial. Untuk kecepatan superficial tinggi permukaan
berfluktuasi karena pecahnya gelembung di permukaan sehingga
ketinggian unggun hanya dapat diukur dengan perkiraan.
Campuran Gas dan Padatan dalam Unggun yang Terfluidisasia. Pola
aliran gasKeberadaan dan pergerakan dari gelembung gas unggun yang
terfluidisasi menghasilkan pengaruh pada pola aliran gas.
Penelitian telah dilakukan pada aliran gas ini. Namun hasilnya
kurang memuaskan dan secara khusus tergantung dari alat yang
digunakan.b. Pola aliran padatanPergerakan dari partikel padatan
dalam gas unggun yang terfluidisasi tekah dipelajari dengan
menggunakan bermacam-macam teknik. Jadi secara umum ditemukan bahwa
bila suhu pencampuran tinggi, maka padatan unggun akan tercampur
secara menyeluruh.
Sifat-sifat Perpindahan Massa Dalam Unggun yang
TerfluidisasiPerpindahan massa dalam unggun yang terfluidisasi
dapat terjadi dengan beragam cara. Perpindahan massa unggun ke
permukaan sangat penting dalam aplikasi pelapisan. Perpindahan dari
permukaan padatan ke fasa gas sangat penting dalam proses
pengeringan, sublmasi dan desorbsi. Perpindahan massa dapat menjadi
suatu pembatas dalam sistem reaksi kimia. Karena pertikel-partikel
saling berdekatan dari gas yang mengelilingi partikle tersebut,
maka koefisien perpindahan massa selalu lebih kecil dari suatu
pertikel tunggal yang bergerak dalam udara bebas.
Sifat-sifat Perpindahan Panas Unggun TerfluidisasiUnggun yang
terfluidisasi oleh gelembung-gelembung tercampur dengan santgat
baik karena pertikel-partikel unggun tersirkulasi oleh gelmbung
udara yang naik. Akibatnya suhu unggu sangat seragam, walaupun
terdapat reaksi yang sangat eksoterm. Jika luas permukaan tranfer
panas antara gas dan unggun cukup tinggi sehingga gas dan pertikel
cepat mencapai suhu yang sama. Laju transfer panas yang tinggi muga
dapat diperoleh antara permukaan panas yang tercelup di dalam
unggun dengan unggunnya itu sendiri. Tiga mekanisme yang
menyumbangkan transfer panas antara unggun terfluidisasi dan
permukaan adalah :a. Untuk partikel unggun dengan diameter < 500
dan densitas < 4000 kg/m3 (kecuali paertikel halus yang sangat
kohesif), mekanisme utama adalah adanya sirkulasi antara bulk
unggun dan partikel yang berdekatan denghan permukaan panas
(Particle Convective Mechanism). Partikel mampu mentransfer banyak
panas karena mempunyai kapasitas panas pada saat awal partikel
berdekatan dengan permukaan panas, terdapat gradien suhu lokal yang
besar yaitu adanya perbedaan suhu yang besar antara bulk unggun
dengan permukaan sehingga laju perpindahan panas sangat besar.
Tapi, semakin lama suhu unggun semakin mendekati suhu permukaan.
Jadi untuk selang waktu tertentu laju transfer panas semakin tinggi
jika pertikel bersinggungan dengan permuikaan panas dalam recident
time yang singkat yang dapat diperoleh dengan mengatur kondisi
operasi. Tetapi harus diingat bahwa recident time yang ekstrim
kecil untuk memeroleh koefisien perpindahan panas yang paling
tinggi dibatasi oleh konduktivitas panas gas dan jarak jalur
transfer panas terpendek di mana panas mengalir secara konduksi
antara partikel unggun dan permukaan panas.b. Untuk unggun dalam
ukuran atau densitas yang lebih besar, kecepatan interstisial
adalah turbulen yang berarti bahwa transfer panas konveksi melalui
gas menjadi penting. Jika transfer panas mode ini menjadi dominan
maka transfer panas akan naik dengan naiknya diameter partikel
(karena makin besar partikel maka makin besar turbulensi kecepatan
interstisial).c. Untuk suhu yang lebih tinggi akan terdapat
perbedaan suhu yang sangat besar antara unggun dan permukaan panas
sehingga transfer panas secara radiasi menjadi penting.Perpindahan
kalor ke permukaan dalam sistem padat-gas koefisien perpindahan
panas ke permukaannya sangat tergantung pada kualitas fluidisasi
yang terjadi (Coulson, 1968:215). Untuk menghitung koefisien
perpindahan panas tersebut dapat digunakan persamaan Dow dan Jacob
berikut.
(21)dimana:
h= koefisien perpindahan panask = konduktivitas termal gasD =
diameter partikelDt = diameter tubeL = panjang unggun= kekosongan
ungguns= densitas padatan= densitas gasCs =kapasitas panas
padatanCp =kapasitas panas gas pada tekanan konstan= viskositas
gasUc =kecepatan superficial dalam tube kosong.
Penyimpangan dari Keadaan Ideal1. InterlockKarakteristik
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 (P) sesaat sebelum fluidisasi terjadi. Fenomena interlock ini
dapat dilihat pada Gambar 11, terjadi pada awal fluidisasi saat
terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi unggun
terfluidakan.
UmfGambar 11. Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena
terjadi interlock2. 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), ditunjukkan
pada Gambar 6,b. Penorakan (slugging), ditunjukkan pada Gambar 7,c.
Saluran-saluran fluida yang terpisahkan (chanelling), ditunjukkan
pada Gambar 8.Evaluasi Parameter-Parameter dalam Peristiwa
Fluidisasi1. Densitas PartikelPenentuan 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 PartikelDidalam 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 diadakan
suatu 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 (s) bisa dipakai langsung dalam
persamaan-persamaan terdahulu dengan mengganti dp menjadi s.dp,
sehingga persamaan Ergun dapat ditulis menjadi:
(22)dimana s = 1 untuk partikel berbentuk bolas < 1 untuk
partikel berbentuk bolaa. Porositas UnggunPorositas unggun
menyatakan fraksi kosong di dalam unggun yang secara matematik bisa
ditulis sebagai berikut:
(23)dimana = porositas unggunVu = volume unggunVp = volume
partikelHarga 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. b. Pendekatan
dalam PercobaanPengukuran densitas partikel dilakukan menggunakan
piknometer dengan volome tertentu dengan tipol sebagai fluidanya.
Tipol digunakan karena memiliki tegangan permukaan dan viskositas
tinggi sehingga cenderung tidak memasuki pori-pori partikel. Dengan
demikian asumsi partikel padatan berbentuk bola dapat digunakan.
Kecepatan minimum fluidisasi dapat ditentukan secara grafis dan
teoritis. Teknik grafis dapat dilakukan apabila tersedia kurva
karakteristik fluidisasi. Karena fluktuasi nilai dibanding kurva
fluidisasi ideal, perkiraan ini kurang akurat. Supaya Umf perkiraan
mendekati nilai sebenarnya, penarikan garis pada titik konstan P
dilakukan saat kurva fluidisasi mengalurkan data kecepatan tinggi
ke rendah. Diharapkan saat kecepatan menurun fenomena interlock
dapat dikurangi. Interlock menyebabkan partikel menyatu (biasanya
karena basah atau karena kelembaban udara) sehingga kecepatan udara
yang dibutuhkan untuk memfluidisasikan partikel tersebut juga
bertambah besar. Akibatnya Umf yang teramati cenderung lebih tinggi
daripada nilai sebenarnya.
BAB IIIDATA DAN PENGOLAHAN DATA
Untuk T=80oC
Q (cm3/s)P1(mmhg)P2(mmhg)T1T2T3H rata-rataPH
termokapel
tercelup1.000.00280.005964.0035.0025.006.670.00310.00097
1.000.00280.005960.0039.0026.006.570.00310.00087
1.000.00300.005860.0041.0026.006.670.00280.00097
1.400.00430.006141.0034.0025.008.600.00180.00290
1.400.00430.006145.0039.0026.008.700.00180.00300
1.400.00440.006249.0041.0027.008.570.00180.00287
termokapel
terangkat10.00300.005854.0043.0028.006.670.00280.00097
10.00320.006057.0044.0028.006.830.00280.00113
10.00320.005958.0044.0028.006.770.00270.00107
1.40.00410.006233.0045.0029.0010.800.00210.00510
1.40.00420.006239.0046.0028.0010.700.00200.00500
1.40.00420.006341.0046.0029.0010.170.00210.00447
Grafik 3. Hubungan Waktu Percobaan vs T1
Grafik 4. Hubungan Waktu Percobaan vs T2
Grafik 5. Hubungan Waktu Percobaan vs T3
QkPrNuhc
(termokopel)tercelup( m3/s)(W/m.K)(W/m2.K)
0,0010.025060.6000863.19947.6359
0,0010.025130.5985233.196657.65065
0,0010.025130.5406013.37418.07535
0,00140.025060.2488835.1044612.1826
0,00140.025130.2482355.1000712.2062
0,00140.025200.2475915.0956912.2297
tidak tercelup0,0010.025270.5378023.368338.10644
0,0010.025270.5378023.368338.10644
0,0010.025270.5185953.433988.26445
0,00140.025340.2873654.6873411.3121
0,00140.025270.2743894.8144211.5867
0,00140.025340.2873654.6873411.3121
Untuk T=120oC
QP1P2T1T2T3H rata-rataPH
termokapel tercelup1.003.105.90110.0060.0029.008.002.802.30
1.003.106.00111.0060.0029.008.302.902.60
1.003.006.00112.0061.0029.008.203.002.50
1.404.406.1081.0051.0031.0010.071.704.37
1.404.306.5084.0052.0031.0010.932.205.23
1.404.406.4087.0052.0032.0010.872.005.17
termokapel terangkat13.005.9090.0054.0030.0010.002.904.30
13.105.9095.0053.0031.009.932.804.23
13.106.0097.0055.0032.009.632.903.93
1.44.406.2088.0052.0030.0010.801.805.10
1.44.406.2089.0053.0032.0010.901.805.20
1.44.606.2089.0054.0032.0010.971.605.27
Grafik 7. Hubungan Waktu Percobaan dengan T1
Grafik 8. Hubungan Waktu Percobaan dengan T2
Grafik 9. Hubungan Waktu Percobaan dengan T3
QkPrNuhc
(termokopel)tercelup
(m3/s)(W/m.K)(W/m2.K)
0.0010.025340.5364143.365468.12197
0.0010.025340.5555713.303357.97208
0.0010.025340.5747293.244447.82991
0.00140.025480.2314345.234812.7031
0.00140.025480.2995034.5652511.0783
0.00140.025550.2715794.7980911.6754
tidak tercelup
0.0010.025410.5541423.300547.98731
0.0010.025480.5336613.359758.15298
0.0010.025550.5513063.294968.01773
0.00140.025410.2456795.0826712.3001
0.00140.025550.2444215.0740812.3469
0.00140.025550.2172635.4014313.1435
1.1. Analisis Percobaan1.1.1. Analisis Percobaan 1Pada percobaan
pertama, praktikan ingin melihat hubungan antara variasi Q (laju
alir) terhadap pressure drop dan tinggi unggun. Pada percobaan ini,
praktikan pertama-tama praktikan menyalakan compressor yang
berfungsi untuk memberikan nilai laju alir udara yang terdapat pada
alat praktikum. Udara yang mempunyai kecepatan tersebut akan
memfluidisasi unggun dalam tabung. Nilai laju alir tersebut dapat
ditentukan dengan flowmeter yang terdapat pada alat percobaan.
Sebelum diberikan laju alir udara, partikel unggun berada pada
keadaan diam sehingga memiliki tinggi yang tetap. Pada kondisi ini,
diukur nilai tinggi unggun mula-mula dari tiga sisi yang berbeda.
Selanjutnya, udara dialirkan dengan kecepatan tertentu. Kecepatan
aliran udara tersebut adalah kecepatan superficial (Uc). Pada
setiap kecepatan tertentu, praktikan perbuahan tinggi unggun
diamati dari tiga titik yang berbeda dan juga dicatat nilai
perubahan tekanannya. Data tersebut kemudian dibuat dalam bentuk
grafik mengenai hubungan antara variasi laju alir dengan pressure
drop dan tinggi unggun
1.1.2. Analisis Percobaan 2, T= 80oCPercobaan kedua bertujuan
untuk mengetahui parameter yang mempengaruhi peristiwa perpindahan
panas pada fluidisasi. Hal tersebut dialkukan dengan mencari
hubungan antara fluidisasi dengan transfer panas melalui percobaan.
Pada percobaan ini selain mengamati peristiwa fluidisasi, praktikan
juga menggunakan heater untuk mengetahui perisitwa transfer panas
pada fluidisasi. Sehingga, selain mengukur ketinggian bed dan
perubahan tekanan, pengukuran juga dilakukan untuk nilai
temperature heater dan temperature termokopel. Termokopel adalah
sambungan dua jenis logam yang mempunyai suhu yang berbeda. Pada
percobaan ini termokopel divariasian posisinya yaitu terangkat dan
tercelup. Percobaan ini dilakukan dengan dua variasia temperature
yaitu 80oC dan 120oC. Pada setiap variasi suhu dilakukan dua
percobaan untuk posisi termokopel yang terangkat dan tercelup. Data
yang diambil adalah perubahan tekanan, ketinggian bed, termperatur
heater, temperature termokopel, dan termperatur udara. Pada setiap
percobaan juga divariasikan nilai laju alirnya yaitu untuk Q=1 dan
Q=1,4. Pengambilan data dilakukan setiap 2 menit selama 3 kali
untuk setiap posisi termokopel, sehingga didapatkan hubungan ketiga
suhu tersebut dengan waktu sebagai variable terikat.
Analisis Percobaan 2, T= 120oCPada perobaan kedua suhu heater
dinaikan menjadi 120oC. Percobaan ini juga dilakukan dengan
memvariasikan posisi termokopel dan laju udara. Data yang diambil
pada percobaan ini adalah ketinggian unggun, perubahan tekanan dan
suhu pada system yang terdiri dari suhu heater, suhu termokopel,
dan suhu udara. Pengukuran ketinggian unggun juga dilakukan melalui
tiga titik yang berbeda dan dicari rata-ratanya karena ketinggi
unggun yang befluktuasi nilainya. Pada percobaan ini untuk setiap
variasi kecepatan yang digunakan adalah Q=1 dan Q=1,4 untuk setiap
posisi termokopel tertentu. Posisi termokopel yang divariasikan
adalah posisi termokopel yang tercelup dan terangkat. Data
percobaan diambil selama 2 menit untu 3 kali percobaan. Tujuan dari
percobaan ini adalah untuk mengamati proses perpindahan panas dalam
unggun. Karena percobaan ini dilakukan selama selang waktu terentu,
praktikan dapat mencari hubungan suhu, ketinggian unggun, dan
perubahan tekanan terhadap waktu
Page 21