LEMBAR PENGESAHAN. : Prak. Teknologi Kimia Industri

Transkripsi

1 LEMBAR PENGESAHAN Judul Praktikum : Aliran Fluida Mata kuliah : Prak. Teknologi Kimia Industri Nama : Zusry Augtry Veliany Nim : Kelas/ Semester : 3 TKI/ VI( Enam) Dosen Pembimbing : Ir. Sariadi, MT Nip : Koordinator : Ir. Helmi, MT Nip : Tanggal Pengesahan : Koordinator Dosen Pembimbing Ir. Helmi, MT Ir. Sariadi, MT Nip Nip

2 BAB I PENDAHULUAN 1.1 TUJUAN PERCOBAAN 1. Mampu mempelajari hidrodinamika unggun terfluidakan sistem padatcair dan/atau padat-gas. 2. Mampu menentukan penurunan (pressure drop) pada unggun diam dan terfluidisasi. 3. Mampu menentukan karakteristik unggun terfluidakan seperti penorakan/slugging, penjaluran/channeling. 1.2 ALAT DAN BAHAN Alat yang digunakan : 1. Seperangkat alat fluidisasi 2. Manometer 3. Spatula Bahan yang digunakan : 1. Baliotini kasar 2. Baliotini Halus 1.3 Prosedur Kerja 1. Isilah kolom dengan baliotini kasar atau halus sampai setinggi 300 mm. 2. Tutuplah kran pengatur aliran air. 3. Periksa apakah pembacaan manometer pada posisi nol, bila tidak, aturlah sampai pada titik nol.

3 4. Jalankan pompa air, dan atur laju alir sampai 0.1 L/min 5. Catat tinggi unggun, pembacaan manometer dan jenis unggun (unggun diam atau terfluidisasi) 6. Tentukan rapat masa partikel dengan menimbang sejumlah balliotini dengan volume tertentu ( yang diketahui)

4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 TEORI DASAR 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,

5 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 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. Kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3 Fenomena smooth or homogenously fluidization

6 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 partikelpartikel 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.

7 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 faktorfaktor: 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

8 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. Proses fluidisasi biasanya dilakukan dengan cara mengalirkan fluida gas atau cair ke dalam kolom yang berisi unggun butiran-butiran padat. Pada laju alir yang kecil aliran hanya menerobos unggun melalui celah-celah/ ruang kosong antar partikel, sedangkan partikel-partikel padat tetap dalam keadaan diam. Kondisi ini dikenal sebagai fenomena unggun diam. Saat kecepatan aliran fluida diperbesar sehingga mencapai kecepatan minimum, yaitu kecepatan saat gaya seret fluida terhadap partikel-partikel padatan lebih atau sama dengan gaya berat partikel-partikel padatan tersebut, partikel yang semula diam akan mulai terekspansi, Keadaan ini disebut incipient fluidization atau fluidisasi minimum. Jika kecepatan diperbesar, akan terjadi beberapa fenomena yang dapat diamati secara visual dan pada kondisi inilah partikel-partikel padat memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. Karena sifat-sifat partikel padat yang menyerupai sifat fluida cair dengan viskositas tinggi, metoda pengontakan

9 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 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.

10 1.2.3 Hilang Tekan dalam Unggun Diam 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 metodametoda yang bersifat semi empiris, yaitu dengan menggunakan bilanganbilangan tidak berdimensi Kecepatan Minimum fluidisasi Yang dimaksud dengan kecepatan minimum fluidisasi (dengan notasi Umf) adalah kecepatan superfisial fluida minimum dimana fluidisasi mulai terjadi. harganya diperoleh dengan mengombinasikan persaman Ergun dengan persamaan neraca massa pada unggun terfluidakan Karakteristik Unggun Terfluidakan Karakteristik unggun terfluidakan biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik antara penurunan tekanan (ΔP) dan kecepatan superfisial (u). Untuk keadaan yang ideal, kurva hubungan ini berbentuk seperti Gambar 8. Gambar 8 Kurva karakteristik fluidisasi ideal Garis A-B dalam grafik menunjukkan hilang tekan pada daerah unggun diam (porositas unggun = 0). Garis B-C menunjukkan keadaan dimana unggun telah terfluidakan. Garis D-E menunjukkan hilang tekan dalam daerajh unggun diam pada waktu menurunkan kecepatan alir fluida. Harga penurunan tekanannya, untuk kecepatan aliran fluida tertentu, sedikit lebih rendah dari pada harga penurunan tekanan pada saat awal operasi.

11 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 bias 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), ditunjukkan pada Gambar 10a, b. penorakan (slugging), ditunjukkan pada Gambar 10b, c. saluran-saluran fluida yang terpisahkan (chanelling), ditunjukkan pada Gambar 10c, Gambar 9 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock

12 Gambar 10 Tiga jenis agregative fluidization Bentuk kurva karakteristik untuk unggun terfluidakan yang mengalami penyimpangan dari keadaan ideal yang disebabakan oleh tiga jenis fenomena di atas dapat dilihat dalam pustaka (1) dan (3).

13 BAB IV PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN 4.1 PEMBAHASAN Pada praktikum fluidisasi ini kami menggunakan baliotini kasar dan halus sebagai bahan utama dan setelah itu percobaan yang dilakukan dengan mengontakkan butiran-butiran padat dengan fluida gas. Pertama mengisi kolom dengan baliotini dan mengatur udara dengan cara menutup kran dan pompa udara dinyalakan serta memeriksa pembacaan manometer dan apabila tidak di posisi nol, maka atur pada posisi nol dan juga atur laju alir udara maka butiran-butiran padatan akan mulai bergerak karena dialirkan fluida (udara). Semakin tinggi laju aliran udara yang diberikan terhadap butiranbutiran padatan di dalam bed, maka pergerakan butiran-butiran padatan tersebut semakin cepat. Kita dapat melihat kenaikan tinggi butiran padatan yang terangkat keatas akibat laju aliran udara yang diberikan terhadap butiran-butiran padat semakin meningkat, sehingga penurunan tekanan menjadi lebih besar. Dapat dilihat pada data yang kami peroleh dimana semakin besar Aspek utama yang akan ditinjau dalam percobaan ini adalah mengetahui besarnya pressure drop (beda tekan) di dalam unggun padatan yang terfluidakan. Hal ini 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. Jenis unggun terbagi menjadi 2, yaitu unggun diam dan unggun terfluidisasi.

14 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 sedangkan yang terfluidisai adalah Pada laju alir yang cukup tinggi butiran padat akan bergerak karena gas mengalir melalui ruang antar partikel dan menyebabkan perubahan susunan partikel tersebut. Pada percobaan ini kami mengambil interval pembacaannya yaitu pada baliotini kasar sebesar L/min. Dimana unggun diam dapat kita lihat saat laju udara diberikan pada kenaikan L/min, dan pada penambahan baliotini halus laju udara memberikan kenaikan yaitu L/min. Untuk unggun terfluidisasi dapat kita lihat saat laju udara diberikan pada kenaikan L/min. Butiran padat terlihat tidak terlalu banyak bergerak pada saat unggun diam. Sedangkan jenis unggun terfluidisasi dapat terlihat ketika butiranbutiran padatan terangkat keatas karena laju aliran udara yang besar. Dimana di unggun terfluidisasi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti Laju alir fluida dan jenis fluida, Ukuran partikel, Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel, Porositas unggun, Distribusi aliran, Distribusi bentuk aliran fluida, Diameter kolom dan Tinggi.

15 4.2 KESIMPULAN Dari hasil praktikum fluidisasi dapat diambil kesimpulah bahwa : 1. Fluidisasi adalah peristiwa dimana unggun berisi butiran padat berkelakuan seperti fluida karena di aliri udara. 2. Pada praktik fluidisasi yang kami lakukan terjadi fenomena-fenomena seperti Fenomena chanelling fluidization, dan Fenomena disperse fluidization 3. Semakin besar laju alir udara yang diberikan, maka akan semakin besar pula penurunan tekanannya. 4. Semakin meningkatnya kecepatan fluida maka ketinggianunggun juga semakin tinggi 5. Faktor-faktor yang mempengaruhi fluidisasi: 1. Laju alir fluida dan jenis fluida 2. Ukuran partikel 3. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel 4. Porositas unggun 5. Distribusi aliran 6. Distribusi bentuk aliran fluida 7. Diameter kolom 8. Tinggi

16 DAFTAR PUSTAKA 1. Anonimus Penuntun Praktikum Operasi Teknik Kimia, Lab. OperasiTeknik Kimia FT-UMJ. Fakultas Teknik, Jurusan Kimia. UniversitasMuhammadiyah Jakarta. 2. Depi Oktari Aliran Melalui Unggun Diam. Diakses tanggal 4 Mei De Nevers, Noel. Fluid Mechanics Chemical Engineering New York : McGraw-HillInc 4. Kunii, D., and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, Butterworth- Heinemann, Boston, 1991