BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Fluidisasi

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 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 A.

A B

Gambar 2.1 Skema unggun diam (A) dan unggun terfluidakan (B)

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 B.

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.

Gambar 2.2 Sifat cairan dalam unggun terfluidisasi

Konsep dasar dari suatu partikel unggun yang terfluidisasi dapat diilustrasikan dengan fenomena yang terjadi saat adanya perubahan laju alir gas seperti pada gambar di bawah ini:

Fenomena fluidisasi pada sistem gas-padat juga dapat diilustrasikan pada gambar berikut ini:

Gambar 2.4 Fenomena

fluidisasi pada sistem gas-padat

Adapun fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada proses fluidisasi antara lain: 1. Fenomena fixed bed, 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 2.5.

Gambar 2.5 Fenomena fixed bed

2. Fenomena minimum or incipient fluidization, 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 2.6.

Gambar 2.6 Fenomena minimum or incipient fluidization

3. Fenomena smooth or homogenously fluidization, terjadi saat kecepatan dan distribusi aliran fluida merata, densitas dan distribusi partikel dalam unggun sama atau homogen sehingga ekspansi pada setiap partikel padatan seragam. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Fenomena smooth or homogrnously fluidization

4. Fenomena bubbling fluidization yang terjadi ketika gelembung–gelembung pada unggun terbentuk akibat densitas dan distribusi partikel tidak homogen. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Fenomena bubbling fluidization

5. Fenomena slugging fluidization, terjadi ketika gelembung-gelembung besar yang mencapai lebar dari diameter kolom terbentuk pada partikel-partikel padat. Pada kondisi ini terjadi penolakan sehingga partikel-partikel padat seperti terangkat. Kondisi ini dapat dilihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Fenomena slugging fluidization

6. Fenomena chanelling fluidization, terjadi ketika dalam unggun partikel padatan terbentuk saluran-saluran seperti tabung vertikal. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10 Fenomena chanelling fluidization

7. Fenomena disperse fluidization, terjadi saat kecepatan alir fluida melampaui kecepatan maksimum aliran fluida. Pada fenomena ini sebagian partikel akan terbawa aliran fluida dan berekspansi mencapai nilai maksimum. Kondisi ini ditunjukkan pada gambar 2.11.

Gambar 2.11 Fenomena disperse fluidization

Fenomena-fenomena fluidisasi tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut: a. Laju alir fluida dan jenis fluida

b. Ukuran partikel dan bentuk partikel

c. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel d. Porositas unggun

e. Distribusi aliran,

f. Distribusi bentuk ukuran fluida g. Diameter kolom

Faktor-faktor di atas merupakan variabel-variabel dalam proses fluidisasi yang akan menentukan karakteristik proses fluidisasi tersebut. Selain itu, fenomena pada gambar 2.4 dapat dijelaskan melalui persamaan Bernoulli dengan aliran laminer sebagai berikut, yaitu:

F=150Vsμ(1−ε)

2_Δx

(D_p)2ε3ρ _dan

Pada gambar 2.4, 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 ΔP pada sepanjang unggun dapat dinyatakan dengan persamaan sbb:

−ΔP=150Vsμ(1−ε)

2_Δx

(D_p)2ε3

Bila Vs meningkat, ε meningkat dan ΔP dijaga agar konstan. Dalam hal ini Δx

juga akan meningkat, akan tetapi pengaruh dari kenaikan Δx ini lebih kecil dibandingkan pengaruh yang ditimbulkan oleh perubahan ε. Adapun hubungan Δx,

ΔP dan kecepatan aliran fluida dapat dilihat pada gambar 2.12.

Untuk kecepatan yang kurang dari kecepatan fluidisasi minimum (Umf) maka unggun akan berperilaku 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.

Selama fluidisasi, penurunan tekanan sepanjang unggun akan tetap walaupun kecepatan superfisial terus dinaikkan dan sama dengan berat efektif unggun persatuan luas:

Δp

=

m

ρ

_p

S

_b

(

ρ

p

−

ρ

f

)

g

dimana: m = massa partikel ρp = densitas partikel

Sb = luas area unggun

ρf = densitas fluida

g = percepatan gravitasi

Jika laju alir ke unggun terfluidisasi diturunkan bertahap, penurunan tekanan akan tetap konstan dan tinggi unggun akan berkurang.Walaupun demikian, tinggi unggun terakhir akan lebih besar daripada tinggi mula-mula untuk fixed bed. Hal ini dikarenakan solid di dalam tabung cenderung berkumpul lebih rapat daripada jika

solid diam secara bertahap dari keadaan terfluidisasi. Penurunan tekanan pada laju

alir rendah lebih kecil daripada nilai awal di fixed bed. Unggun yang terfluidisasi akan bersifat menyerupai liquid, di antaranya:

 Benda yang lebih ringan akan mengapung di atas unggun (yaitu benda-benda yang densitasnya lebih kecil daripada densitas bulk unggun),

 Permukaan akan tetap horizontal bahkan dalam unggun yang miring,  Solid dapat mengalir melalui bukaan di kolom sama seperti liquid,  Unggun memiliki tekanan statis karena gravitasi, nilainya sebesar ρogh,

 Ketinggian antara dua unggun terfluidisasi yang serupa sama dengan tekanan statik mereka.

2.2.1 Jenis-jenis Fluidisasi 2.2.1 Fluidisasi Partikulat

Dalam fluidisasi pasir dengan air, partikel-partikel bergerak menjauh satu sama lain dan gerakannya bertambah hebat dengan meningkatnya kecepatan, tetapi densitas unggun rata-rata pada suatu kecepatan tertentu sama di semua bagian unggun. Proses ini disebut fluidisasi partikulat dan bercirikan ekspansi hamparan yang cukup besar tetapi seragam pada kecepatan tinggi. (McCabe, 1985:151)

Akan tetapi, tidak semua fluida liquid pasti menghasilkan fluidisasi partikulat, hal ini dipengaruhi oleh perbedaan densitas. Dalam kasus dimana densitas fluida dan solid tidak terlalu berbeda, ukuran partikel kecil, dan kecepatan aliran fluida rendah, unggun akan terluidisasi merata dengan tiap partikel bergerak sendiri-sendiri melewati jalur bebas rata-rata (mean free path) yang relatif sama. Fase padat ini memiliki banyak karakteristik liquid dan disebut fluidisasi partikulat. (Foust, 1959:643).

Pada fluidisasi partikulat, ekspansi yang terjadi adalah seragam dan persamaan Ergun, yang berlaku untuk unggun diam, dapat dikatakan masih berlaku untuk unggun yang agak mengembang. Andaikan aliran di antara partikel-partikel itu adalah laminar, persamaan yang berlaku untuk hamparan yang mengalami ekspansi adalah (McCabe, 1985:152):

2.2.2 Fluidisasi Agregat/ Fluidisasi Gelembung

Unggun yang difluidisasikan dengan udara biasanya menunjukkan fluidisasi agregat. Pada kecepatan superfisial yang jauh melebihi Umf, kebanyakan gas akan melewati unggun sebagai gelembung atau rongga-rongga kosong yang tidak berisikan zat padat dan hanya sebagian kecil gas yang mengalir dalam saluran-saluran yang

terbentuk di antara partikel. Gelembung yang terbentuk berperilaku hampir sama dengan gelembung udara di dalam air atau gelembung uap di dalam zat cair yang mendidih, dan karena itu fluidisasi jenis ini sering disebut fluidisasi didih (boiling bed). (McCabe, 1985:151)

Gelembung-gelembung yang terbentuk cenderung bersatu dan menjadi besar pada waktu naik melalui hamparan fluidisasi itu. Jika kolom yang digunakan berdiameter kecil dengan hamparan zat padat yang tebal, gelembung itu mungkin berkembang hingga memenuhi seluruh penampang. Gelembung-gelembung yang beriringan lalu bergerak ke puncak kolom terpisah dari zat padat yang seakan-akan tersumbat. Peristiwa ini disebut penyumbatan (slugging). (McCabe, 1985:151)

Penyamarataan bahwa fluida gas pasti menghasilkan fluidisasi gelembung tidak sepenuhnya benar. Perbedaan densitas merupakan parameter yang penting. Pada kasus dimana densitas fluida dan solid berbeda jauh atau ukuran partikel besar, kecepatan aliran fluida yang dibutuhkan lebih besar dan fluidisasi yang terjadi tidak merata. Sebagian besar fluida melewati unggun dalam bentuk gelembung (bubbles). Di sini, unggun memiliki banyak karakteristik liquid dengan fasa fluida terjadi pada saat gas menggelembung melewati unggun. Fluidisasi jenis ini disebut fluidisasi agregat. (Foust, 1959:643)

Partikel unggun yang lebih ringan, lebih halus, dan bersifat kohesif sangat sukar terfluidisasi karena gaya tarik antarpartikel lebih besar daripada gaya seretnya. Partikel cenderung melekat satu sama lain dan gas menembus unggun dengan membentuk channel. Pengembangan volume unggun dalam fluidisasi gelembung terutama disebabkan oleh volume yang dipakai oleh gelembung uap, karena fase rapat pada umumnya tidak berekspansi dengan peningkatan aliran. Dalam penurunan berikut ini, aliran gas melalui fase rapat diandaikan sama dengan Umf dikalikan dengan fraksi unggun yang diisi oleh fase rapat, ditambah sisa aliran gas yang dibawa oleh gelembung (McCabe, 1985:154), sehingga:

dimana: fb = fraksi unggun yang diisi gelembung

ub = kecepatan rata-rata gelembung

Dalam fluidisasi agregat, fluida akan membuat gelembung pada padatan unggun dalam tingkah laku yang khusus. Gelembung fluida meningkat melalui unggun dan pecah pada permukaan unggun dan akan tejadi “splashing” dimana partikel unggun akan bergerak ke atas. Seiring dengan meningkatnya kecepatan fluida, perilaku gelembung akan bertambah besar. (Brown, 1955:269)

Keberadaan fluidisasi partikulat atau agregatif merupakan hasil dari pengaruh gaya gravitasi pada fasa-fasa yang ada dalam unggun terfluidisasi dan juga karena mekanika fluida ruah dari sistem. Angka Froude, v

2

Dpg

, yaitu rasio antara kinetik dengan energi gravitasi merupakan salah satu kriteria penentu jenis fluidisasi apa yang terjadi. (Foust, 1959:643)

2.2.3 Fluidisasi Kontinu

Bila 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. (McCabe, 1985:151)

Ketika laju alir fasa fluida melewati kecepatan terminal partikel, unggun terfluidisasi akan kehilangan identitasnya karena partikel solid terbawa dalam aliran fluida. Metoda pengangkutan ini sering digunakan dalam industri, biasanya dengan udara sebagai fasa fluida, antara lain untuk mengangkut produk dari pengering semprot (spray dryers). Keuntungan metoda ini adalah kehilangan yang terjadi sedikit, prosesnya bersih, dan kemampuannya untuk memindahkan sejumlah besar

solid dalam waktu singkat. Tetapi kerugiannya antara lain ada kemungkinan terjadi kerusakan partikel solid serta korosi pada pipa mungkin besar. (Foust, 1959:647)

Dalam fluidisasi, karena sifat-sifat partikel padat yang menyerupai sifat fluida cair dengan viskositas tinggi, metode pengontakan fluidisasi memiliki beberapa keuntungan dan kerugian.

2.3 Sifat dan Karakteristik Partikel Unggun 2.3.1 Ukuran partikel

Padatan 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 (Kirk Othmer,1994:141).

dimana: dp = diameter partikel rata-rata yang secara umum digunakan untuk desain

dsv = diameter dari suatu bidang

2.3.2 Densitas padatan

Padatan 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 poripori. Jika tidak ada nilai untuk densitas partikel, maka pendekatan untuk densitas partikel dapat diperoleh dengan membagi dua densitas bulk.

2.3.3 Penurunan tekanan

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 :

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. 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.

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 metode-metode 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 :

dimana:

ΔP/L = hilang tekan per satuan panjang/ tinggi unggun Gc = faktor gravitasi

m = viskositas fluida

ε = porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong didalam unggun dengan volume unggun

u = kecepatan alir superfisial fluida S = luas permukaan spesifik partikel 2.3.4 Sphericity

Sphericity merupakan faktor bentuk yang dinyatakan sebagai rasio dari area permukaan volume partikel bulat yang sama dengan partikel itu dibagi dengan areapermukaan partikel.

Material yang melingkar seperti katalis dan pasir bulat memiliki nilai sphericity

sebesar 0.9 atau lebih.

2.3.5 Kecepatan Fluidisasi Minimum (Umf)

Kecepatan fluidisasi minimum adalah kecepatan superficial terendah yang dibutuhkan untuk terjadinya fluidisasi. Umf dapat dicari dengan menggunakan persamaan

Umf = m [(1135.7+0.0408Ar)0.5_-33.71]/(r

gdp) Di mana bilangan Archimides (Ar) adalah :

Ar = r gdp 3(r p-r g) g/m 2

Untuk memprediksi Umf, Ergun menurunkan suatu korelasi dengan cara menyamakan pressure drop pada saat Umf dengan berat unggun persatuan luas dan diperoleh persamaan sebagai berikut.

Suku pertama persamaan Ergun dominan untuk aliran laminer sedangkan suku kedua dominan pada aliran turbulen. Pengukuran Umf dapat diperoleh dari grafik D P vs

Umf, yaitu sesuai titik potong atau antara bagian kurva yang datar seperti yang digambarkan pada gambar 2.10.

2.3.6 Kecepatan terminal

Kecepatan 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:

Dalam aliran laminer dan mengikuti Hukum Stokes:

Jadi, kecepatan terminal untuk partikel tunggal berbentuk bulat adalah

Dan untuk partikel besar dengan Cd = 0.43

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 suspense (U*t) adalah:

Kekosongan f(e ) dari unggun yang terfluidisasi adalah fraksi mol yang terjadi oleh gas. Fungsi t dapat dinyatakan dengan pendekatan Kozeny-Charman berikut.

f(ε ) = 0.1 ε 2_{/(1- ε )}

Pendekatan lain yang digunakan untuk sistem banyak fasa yaitu korelasi Richardson- Zaki untuk partikel tunggal dalam suspensi, yaitu:

U/Ut = ε n

n merupakan fungsi dari dp/D dan bilangan Re yang divariasikan dari 2.4-4.7 (Kirk

Othmer, 1994:144). 2.3.7 Batas partikel

Partikel 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 bergerak

2.3.8 Gaya antar partikel

Gaya 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.

2.3.9 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 ( Kirk Othmer, 1994:147). Pada fluidisasi minimum partikel memperlihatkan pergerakan yang minimal dan secara langsung unggun akan sedikit terangkat.

2.4 Sifat-sifat Perpindahan Panas Unggun Terfluidisasi

Unggun yang terfluidisasi oleh gelembung-gelembung tercampur dengan sangat baik karena pertikel-partikel unggun tersirkulasi oleh gelembung udara yang naik. Akibatnya, suhu unggun sangat seragam walaupun terdapat reaksi yang sangat eksoterm. Jika luas permukaan tranfer panas antara gas dan unggun cukup tinggi, gas dan pertikel cepat mencapai suhu yang sama. Laju transfer panas yang tinggi 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. Akan tetapi, 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.

dimana: h = koefisien perpindahan panas k = konduktivitas termal gas D = diameter partikel

Dt = diameter tube L = panjang unggun e = kekosongan unggun r s = densitas padatan

r = densitas gas

Cs = kapasitas panas padatan

Cp = kapasitas panas gas pada tekanan konstan m = viskositas gas

Uc = kecepatan superficial dalam tube kosong

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 11, terjadi pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi unggun terfluidakan.

Gambar 2.13 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock

2.6.1 Kelebihan dan Kekurangan Teknik Fluidisasi Kelebihan dari teknik fluidisasi adalah:

 Properti transfer panas yang baik dalam gas-fluidized bed. Gelembung yang terbentuk menjaga unggun bersifat isotermal dan laju transfer panas yang tinggi diperoleh antara unggun dan permukaan yang dicelupkan.

 Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat secara kontinu dan memudahkan pengontrolan.

 Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas permukaan kecil.

 Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass antara partikel cukup tinggi.

 Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor

Kekurangan dari teknik fluidisasi adalah:

 Kecepatan fluida yang digunakan terbatas pada jangkauan dimana unggun terfluidisasi. Jika kecepatan jauh lebih besar dari Umf, dapat terjadi kehilangan material yang cukup besar akibat terbawa keluar dari unggun serta ada kemungkinan terjadi kerusakan partikel karena kecepatan operasi yang terlalu besar.

 Tenaga untuk memompa fluida sehingga terjadi fluidisasi harus besar untuk unggun yang besar dan dalam.

 Ukuran dan tipe partikel yang dapat digunakan dalam teknik ini terbatas.  Karena sifat unggun terfluidisasi yang kompleks, seringkali terjadi kesulitan

dalam mengubah skala kecil menjadi skala industri.  Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.

 Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya sejumlah tertentu.

Umf, yaitu sesuai titik potong atau antara bagian kurva yang datar seperti yang digambarkan pada gambar 2.10.

2.3.6 Kecepatan terminal

Kecepatan 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:

Dalam aliran laminer dan mengikuti Hukum Stokes:

Jadi, kecepatan terminal untuk partikel tunggal berbentuk bulat adalah

Dan untuk partikel besar dengan Cd = 0.43

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 suspense (U*t) adalah:

Kekosongan f(e ) dari unggun yang terfluidisasi adalah fraksi mol yang terjadi oleh gas. Fungsi t dapat dinyatakan dengan pendekatan Kozeny-Charman berikut.

f(ε ) = 0.1 ε 2_{/(1- ε )}

Pendekatan lain yang digunakan untuk sistem banyak fasa yaitu korelasi Richardson- Zaki untuk partikel tunggal dalam suspensi, yaitu:

U/Ut = ε n

n merupakan fungsi dari dp/D dan bilangan Re yang divariasikan dari 2.4-4.7 (Kirk

Othmer, 1994:144). 2.3.7 Batas partikel

Partikel 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 bergerak

2.3.8 Gaya antar partikel

Gaya 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.

2.3.9 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 ( Kirk Othmer, 1994:147). Pada fluidisasi minimum partikel memperlihatkan pergerakan yang minimal dan secara langsung unggun akan sedikit terangkat.

2.4 Sifat-sifat Perpindahan Panas Unggun Terfluidisasi

Unggun yang terfluidisasi oleh gelembung-gelembung tercampur dengan sangat baik karena pertikel-partikel unggun tersirkulasi oleh gelembung udara yang naik. Akibatnya, suhu unggun sangat seragam walaupun terdapat reaksi yang sangat eksoterm. Jika luas permukaan tranfer panas antara gas dan unggun cukup tinggi, gas dan pertikel cepat mencapai suhu yang sama. Laju transfer panas yang tinggi 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. Akan tetapi, 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.

dimana: h = koefisien perpindahan panas k = konduktivitas termal gas D = diameter partikel

Dt = diameter tube L = panjang unggun e = kekosongan unggun r s = densitas padatan

r = densitas gas

Cs = kapasitas panas padatan

Cp = kapasitas panas gas pada tekanan konstan m = viskositas gas

Uc = kecepatan superficial dalam tube kosong

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 11, terjadi pada awal fluidisasi saat terjadi perubahan kondisi dari unggun tetap menjadi unggun terfluidakan.

Gambar 2.13 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock

2.6.1 Kelebihan dan Kekurangan Teknik Fluidisasi Kelebihan dari teknik fluidisasi adalah:

 Properti transfer panas yang baik dalam gas-fluidized bed. Gelembung yang terbentuk menjaga unggun bersifat isotermal dan laju transfer panas yang tinggi diperoleh antara unggun dan permukaan yang dicelupkan.

 Sifat unggun yang menyerupai fluida memungkinkan adanya aliran zat padat secara kontinu dan memudahkan pengontrolan.

 Perpindahan panas antara unggun terfluidakan dengan media pemindah panas yang baik memungkinkan pemakaian alat penukar panas yang memiliki luas permukaan kecil.

 Perpindahan panas dan kecepatan perpindahan mass antara partikel cukup tinggi.

 Sirkulasi butiran-butiran padat antara dua unggun fluidisasi memungkinkan pemindahan jumlah panas yang besar dalam reaktor

Kekurangan dari teknik fluidisasi adalah:

 Kecepatan fluida yang digunakan terbatas pada jangkauan dimana unggun terfluidisasi. Jika kecepatan jauh lebih besar dari Umf, dapat terjadi kehilangan material yang cukup besar akibat terbawa keluar dari unggun serta ada kemungkinan terjadi kerusakan partikel karena kecepatan operasi yang terlalu besar.

 Tenaga untuk memompa fluida sehingga terjadi fluidisasi harus besar untuk unggun yang besar dan dalam.

 Ukuran dan tipe partikel yang dapat digunakan dalam teknik ini terbatas.

 Karena sifat unggun terfluidisasi yang kompleks, seringkali terjadi kesulitan dalam mengubah skala kecil menjadi skala industri.

 Adanya erosi terhadap bejana dan sistem pendingin.

 Butiran halus akan terbawa aliran sehingga mengakibatkan hilangnya sejumlah tertentu.