Modul 213 Fluidisasi

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/29-

MODUL 2.13 Fluidisasi

I. Pendahuluan

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.

1a 1b

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, 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 plastik



Modul 2.13 Fluidisasi Halaman 2 dari 29

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




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 partikel-partikel 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.

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 faktor-faktor:

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

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 ∆P. Persamaan yang digunakan

adalah Persamaan Ergun dan Persamaan Wen Yu.




II. Tujuan

Praktikum ini dilakukan dengan tujuan mempelajari hidrodinamika unggun

terfluidakan sistem padat-cair dan/atau padat-gas.

III. Sasaran

Berkaitan dengan tujuan tersebut, pada akhir praktikum diharapkan:

1. Praktikan mampu menentukan kecepatan minimum fluidisasi.

2. Praktikan mampu menentukan karakteristik unggun terfluidakan seperti penorakan/

slugging, penjaluran/channeling, dan sebagainya.

3. Praktikan mampu mengamati dan menentukan pengaruh variabel-variabel yang

menentukan hidrodinamika unggun terfluidakan, seperti ukuran partikel, densitas

partikel, dan sebagainya.

IV. Tinjauan Pustaka

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 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.

IV.2 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.

IV.2.1 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 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

seperti berikut:




3

2

c εk.µ.g

L∆P S

= (1)

dimana: L∆P

= hilang tekan per satuan panjang/ tinggi unggun

gc = faktor gravitasi

µ = viskositas fluida

ε = porositas unggun yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong di

dalam unggun dengan volume unggun

u = kecepatan alir superfisial fluida

S = luas permukaan spesifik partikel

Luas permukaan spesifik partikel (luas permukaan per satuan volume unggun) dihitung

berdasarkan korelasi berikut:

pdε)6.(1S −

= (2)

sehingga persamaan tersebut menjadi:

( )32

p

2

c εd-1.36.k.g

L∆P εµ

= (3)

atau

32p

2

c εd)-1(k'.µg

L∆P ε

= (4)

dimana k adalah konstanta fludisasi dan k’=36k (lihat Tabel 1).

Persamaan ini kemudian diturunkan lagi oleh Kozeny (1927) dengan

mengasumsikan bahwa unggun zat padat tersebut adalah ekivalen dengan satu kumpulan

saluran-saluran lurus yang paralel yang mempunyai luas permukaan dalam total dan

volume dalam total masing-masing sama dengan luas permukaan luar partikel dan

volume ruang kosongnya.

Harga konstanta k’ diperoleh beberapa peneliti berbeda-beda seperti ditunjukkan pada

Tabel 1 berikut: Tabel 1 Konstanta Empirik Fluidisasi

k’ Peneliti

150 Kozeny (1927) 180 Carman (1937) 200 US Bureau of Mines (1951)




Untuk aliran turbulen, persamaan tersebut tidak dapat digunakan lagi sehingga Ergun

menurunkan rumus yang lain (1952) dimana kehilangan tekanan digambarkan sebagai

gabungan dari viscous losses dan kinetic energy los.

(5)

dimana k1 = 150 dan k2 = 1,75

Pada keadaan ekstrem, yaitu bila:

a. aliran laminer (Re<20), kinetic energy losses dapat diabaikan, sehingga

(6)

b. aliran turbulen (Re>1000), viscous losses dapat diabaikan, sehingga:

23

pc u

ε .dε).ρ.g-(11,75.g

L∆P

= (7)

IV.2.2 Hilang Tekan pada Unggun Terfluidakan (Fluidized Bed)

Pada unggun terfluidakan, persamaan yang menggambarkan hubungan p/l dan u

yang biasanya digunakan adalah persamaan Ergun, yaitu:

23

fp

f3

f2

p

2f

c uε .d).ρ.ε-(11,75u

ε .d)ε-(1150g

L∆P

+= (8)

dimana εf adalah porositas unggun pada keadaan terfluidakan. Pada keadaan ini, dimana

partikel-partikel zat padat seolah-olah terapung di dalam fluida sehingga terjadi

kesetimbangan antara berat partikel dengan gaya seret dan gaya apung dari fluida di

sekelilingnya:

[gaya seret oleh fluida yang naik] = [berat partikel]-[gaya apung]

atau

[hilang tekan pada unggun] x [luas penampang] = [volume unggun] x [fraksi zat padat] x

[densitas zat padat – densitas fluida]

( )( )( )c

fpf ggρρε1A.L∆P.A −−= (9)

( )( )c

fpf ggρρε1

L∆P

−−=

(10)

lossesenergy kinetic losses viscous

uε .dε).ρg-(1ku

ε .dε)-(1kg

L∆P 2

3p

232p

2

1c +=

u ε .dε)-(1501g

L∆P

32p

2

c =




IV.3 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, menjadi:

( )2

32

33

.75,1.)1(150µ

ρρµεµε

ρε gPdU

PdU

gd gsgpmf

gp

mfmf

mf

pmf −=+

− (11)

Untuk keadaan ekstrem, yaitu:

1. aliran laminer (Re<20), kecepatan fluidisasi minimumnya dalah:

( )mf

mfgspmf

gPPdU

εε

µ −

−=

1..

150

32

(12)

2. aliran turbulen (Re>1000), kecepatan fluidisasi minimumnya adalah

( ) 32 ..75,1 mf

g

gspmf P

gPPdU ε

−= (13)

Beberapa persamaan lain untuk menghitung harga Umf dapat dilihat di dalam pustaka.

IV.4 Karakteristik Unggun Terfluidakan

Karakteristik unggun terfluidakan biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik

antara penurunan tekanan (∆P) 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.

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 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 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,

Umf

Gambar 9 Kurva karakteristik fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock




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).

IV.5 Evaluasi Parameter-Parameter dalam Peristiwa Fluidisasi

IV.5.1 Densitas Partikel

Penentuan 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. Prosedur percobaannya bisa dilihat di dalam

pustaka 3 dalam Daftar Pustaka, di halaman 57 dan 58.

IV.5.2 Bentuk Partikel

Didalam persamaan-persamaan yang telah diturunkan sebelumnya partikel-

partikel 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:

sama volumepadapartikelpermukaan luas

bolapermukaan luasA

A ps ==Φ (14)




Derajat kebolaan (θs) bisa dipakai langsung dalam persamaan-persamaan terdahulu

dengan mengganti dp menjadi θs.dp, sehingga persamaan Ergun dapat ditulis menjadi:

(15)

dimana θs = 1 untuk partikel berbentuk bola

θs < 1 untuk partikel berbentuk bola

IV.5.3 Diameter Partikel

Diameter partikel biasanya diukur berdasarkan analisa ayakan. Prosedur

penentuan dan perhitungan bisa dilihat dalam pustaka ke-1 (dalam Daftar Pustaka)

halaman 67 sampai 69 atau pustaka ke-3 (dalam Daftar Pustaka) halaman 61. Prosedur

perhitungannya dapat dilihat pada Bagian V.4 Rancangan Percobaan, Contoh Data dan

Langkah Perhitungan.

IV.5.4 Porositas Unggun

Porositas unggun menyatakan fraksi kosong di dalam unggun yang secara

matematik bisa ditulis sebagai berikut:

u

pu

VVV

ε−

=

dimana ε = porositas unggun

Vu = volume unggun

Vp = volume partikel

Harga 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. Salah satu hasil

eksperimen yang menggambarkan pengaruh derajat kebolaan terhadap porositas unggun

diberikan oleh Brown dan diperlihatkan pada Gambar 11.

IV.6. Pendekatan dalam Percobaan

Pengukuran densitas partikel dilakukan menggunakan piknometer dengan valome

tertentu dengan tipol sebagai fluidanya. Tipol digunakan karena memiliki tegangan

permukaan dan viskositas tinggi sehingga cenderung tidak memasuki pori-pori partikel.

Dengan demikian asumsu partikel padatan berbentuk bola dapat digunakan.

( ) ( )2

ps3

fp

f

ps3

f2

p

2f

c u.dΦg

ε .d).ρ.ε-(11,75 .2

.dΦµu

ε .d)ε-(1150g

L∆P ρ

+=




Kecepatan minimum fluidisasi dapat ditentukan secara grafis dan teoritis. Teknik

grafis dapat dilakukan apabila tersedia kurva karakteristik fluidisasi. (antara log u

terhadap log ∆P). Dengan menarik garis vertikal pada titik mulai konstannya log ∆P atau

titik yang menunjukkan adanya fenomena interlock dapat diperpikrakan Umf. 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.

u

Gambar 11 Hubungan antara derajat kebolaan partikel dengan porositas unggun

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

Peralatan yang dipakai selama percobaan terbagi dalam 2 kategori, yaitu:

A. Peralatan utama yang terdiri dari:

1. Satu set kolom fluidisasi sistem padat-gas, yang berupa dari kolom gelas

berdinding halus seperti pada Gambar 7. Didalam kolom ini unggun

padatan difluidisasikan

2. Sumber fluida bertekanan

3. Alat pengatur laju alir berupa kerangan jarum

4. Alat ukur laju alir fluida yang terdiri dari venturimeter, dry gas meter

5. Alat ukur perbedaan tekanan sepanjang kolom yang berupa manometer

pipa-U yang berisi air berwarna atau air raksa




B. Peralatan pembantu yang terdiri atas:

1. Wet test meter untuk mengkalibrasi flowmeter di dalam rangkaian

peralatan utama

2. Piknometer untuk menentukan densitas partikel

3. Timbangan

4. Jangka sorong dan penggaris

5. Stopwatch

6. Gelas ukur

7. Ayakan Wet Test Meter

- Fungsi : kalibrasi venturimeter

- Prinsip kerja : untuk kalibrasi diukur luas penampang kolom (A) dan waktu (t)

yang dibutuhkan jarum untuk melakukan 1 putaran sesuai skala alat

- Persamaan : U = V / (A.t)

Dimana V adalah volumetrik satu putaran jarum skala, dan U adalah laju alir linear.

- Untuk kalibrasi venturimeterdibuat kurva ∆h (pembacaan venturimeter) terhadap U,

sehingga diperoleh persamaan kalibrasinya.

Venturimeter

- Fungsi : pengukuran laju alir partikel

- Prinsip kerja : laju alir fluida adalah ekivalen dengan beda tinggi fluida pada

kaki manometernya.

Manometer

- Fungsi : menghitung besar pressure drop

- Prinsip kerja : besar pressure drop ekivalen dengan beda tinggi fluida pada

kaki manometer.

Piknometer

- Fungsi : menghitung densitas

- Prinsip kerja : massa jenis/ densitas zat yang dicari (ρ) adalah

ρ = Mpikno berisi zat – Mpikno kosong/ Vpikno




bila digunakan air sebagai satandar volume pikometer (Vpikno):

Vpikno = (Mpikno berisi air – Mpikno kosong) /ρair literatur , ρair = f(T)

V.2 Tata Laksana Percobaan

Pelaksanaan pekerjaan dapat dibagi dalam 2 tahap:

1. Tahap persiapan

Pada tahap persiapan ini dilakukan langkah-langkah sebagai berikut:

1. penentuan densitas butiran padatan dengan menggunakan metoda

Ergun atau dengan piknometer

2. Pengukuran dimensi kolom dengan memakai jangka sorong

3. Penentuan ukuran butiran padat dengan memakai analisa ayakan

4. Kalibrasi flowmeter dengan wet test meter

2. Pada tahap operasi dilakukan aktivitas-aktivitas berikut:

1. Kalibrasi kolom kosong, yaitu mengukur penurunan tekanan di dalam

grid yang terdapat di bagian dasar kolom untuk laju alir yang berbeda-

beda, penurunan tekanan ini dilihat dengan mengukur beda

permukaan cairan yang ada di dalam manometer pipa U.

2. Mengisi kolom dengan butiran-butiran padatan dalam jumlah tertentu

3. Mengukur penurunan tekanan (∆P) di dalam kolom yang berisi

padatan untuk laju alir yang berbeda-beda.

Laju alir fluida divariasikan mulai dari kecepatan rendah samapai pada suatu

keadaan dimana penorakan di dalam unggun sudah tampak menyolok. Dari titik ini

laju alir fluida kemudian diturunkan kembali perlahan-lahan sampai dicapai titik

terendah dimana operasi dimulai. Selama operasi berlangsung harus dilihat dan

dicatat segala fenomena yang terjadi di dalam unggun.




Gambar 7 Skema alat praktikum Modul Fluidisasi

Keterangan instalasi peralatan pada Gambar 7:

D = distributor

KD = kerangan diafragma

KER =kerangan

KJ = kerangan jarum

KOL = kolom

M1 = manometer tabung Bourdon untuk mengukur tekanan gas keluar

M2 = manometer tabung Bourdon untuk mengukur tekanan dalam tangki

TGN = sumber fluida bertekanan

MU1 = manometer pipa U berisi air untuk mengukur tekanan gas antara tap 1 dan tap 2

MU2 = manometer pipa U berisi air untuk mengukur tekanan gas antara tap 1 terhadap udara luar

R = flowmeter

U = unggun butiran padat




V.3. Diagram Kerja Praktikum Fluidisasi

V.3.1. Penentuan Densitas Padatan dengan Piknometer

Ambil Piknometer yang sudah dikalibrasi dan diketahui bervolume V, keringkan

Timbang massa piknometer kosong

Masukkan tipol sampai penuh

Timbang pikno + tipol

Hitung massa tipol Vpikno = V tipol

Hitung densitas tipol

Pikno yang sama, cuci, keringkan

Isi partikel padatan, sampai pikno kira-kira terisi ½-nya

Penuhi dengan tipol Timbang massa pikno+partikel

Timbang massa pikno+partikel+tipol

Hitung massa tipol

Hitung volume tipol

Hitung volume padatan

Hitung densitas padatan

Hitung massa padatan

V.3.2 Kalibrasi Venturimeter dengan Wet Test Meter

Teliti Vol. 1 putaran wet test meterV wet test meter = x L

Alirkan udara melalui venturimeter, perhatikan ? hv.

? hv = y m

Ukur dkolom, hitung L permukaan kolom

Hitung waktu udara mengaliri 1 put. wet test meter

t = z detik

Hitung laju alir linear (v)

Variasikan ? hv, ulangi percobaan

Buat kurva ? hv (sb X) vs v (sbY) Linearisasi




V.3.3 Kalibrasi Kolom Kosong

Alirkan udara melalui venturimeter, perhatikan ? hv.

? hv = x m

Kolom Kosong

Grid dalam kolom kosong akan menunjukkan ketinggian tertentu

∆hm grid = y cm

Variasikan ? hv, ulangi percobaan

Buat kurva ? hv (sb X) vs ? hm grid (sbY)

V.3.4 Percobaan Utama

Isi kolom fluidisasi dengan partikel padatan sampai

ketinggian tertentu hpartikel = cm

Partikel padatan dpartikel = cm

ρpartikel = gr/cm3

Alirkan udara fluidisasi

Amati ∆hv = cm Amati ∆hm = cm

∆hm tersebut adalah ∆hm teramati

Hitung v (dari v = v (∆hv ))

Hitung ∆hm grid (dari ∆hm grid = f (∆hv ))

Hitung ∆hm unggun ( ∆hm unggun = ∆hm teramati – ∆hm grid)

Hitung ∆P (dari ∆P = ρ.g.h)

Ulangi percobaan, variasikan kecepatan dari kecil ke besar, lalu dari

besar ke kecil

Alurkan log ∆P terhadap log v

(Kurva Karakteristik Fluidisasi)




V.4 Data Percobaan

Data yang diperlukan dalam percobaan fluidisasi ini adalah:

1. Variabel percobaan

Variabel percobaan adalah data yang sengaja divariasikan sehingga didapat

informasi yang diinginkan sesuai tujuan praktikum fluidisasi. Variabel

percobaan fluidisasi adalah densitas partikel, ukuran partikel, keseragaman

partikel, jenis partikel, tinggi unggun, laju alir fluida. Densitas dan

keseragaman partikel dapat divariasikan dengan mencampur partikel yang

berbeda ukuran maupun berbeda jenis. Ukuran partikel divariasikan dengan

melakukan pengayakan dengan nomor mesh tertentu.

2. Parameter percobaan

Parameter percobaan adalah data yang diambil dalam percobaan yang berubah-

ubah karena dilakukan variasi variabel. Parameter dalam praktikum fluidisasi

ini adalah pressure drop dan kecepatan minimum fluidisasi (Umf)

3. Data-data tambahan

Selain 2 data pokok di atas ada dat alain uang diperlukan dalam perhitungan

nilai variabel dan parameter dalam percobaan fluidisasi:

1. ukuran ayakan, diperlukan untuk menentukan diameter partikel

2. massa dan volume piknometer, diperlukan untuk menghitung densitas

partikel padatan

3. diameter kolom, diperlukan untuk kalibrasi venturimeter

4. tinggi unggun, diperlukan untuk menghitung Umf teoretik

5. data literatur massa jenis air pada temperatur pengukuran diperlukan untuk

menghitung volume piknometer

6. data literatur densitas dan viskositas fluida (udara) pada tekanan dan

temperatur praktikum untuk perhitungan Umf teoretik

7. volume wet test meter 1 putaran diperlukan untuk perhitungan kalibrasi

venturimeter.

Contoh lembar data untuk praktikum fluidisasi ini adalah sebagai berikut:

1. Diameter Mesh Ayakan

No. Mesh d (mm)




2. Densitas Air pada Berbagai Temperatur (Literatur)

Temperatur (0C) ρ (g/mL)

Sumber

3. Densitas Udara pada Berbagai Temperatur (Literatur)

Temperatur (0C) ρ (g/mL)

Sumber

4. Viskositas Udara pada Berbagai Temperatur (Literatur)

Temperatur (0C) µ (cP)

Sumber

5. Diameter Partikel

RUN Jenis Partikel No. Mesh d (mm)

6. Perhitungan Denistas Partikel

Massa piknometer kosong = g

Massa piknometer + tipol = g

Massa tipol = g

Volume piknometer = volume tipol = mL

Densitas Tipol = g/mL

RUN Massa Piknometer + Partikel (g)

Massa Piknometer + Partikel + tipol (g)

Densitas Partikel (g/mL)

7. Kalibrasi Venturimeter

Diameter Kolom = cm

Vol. Wet Test Meter = mL

Luas Kolom = cm2

Data Kalibrasi Venturimeter

∆hv (cm) t (s) u (cm/s)




8. Kalibrasi Kolom Kosong

∆hv (cm) ∆hm grid (cm)

8. Penentuan Kurva Karakteristik Fluidisasi

∆hv (cm)

∆hm total (cm)

∆hm grid (cm)

∆hm (cm) L (cm) Fenomena u

(cm/s) ∆P

(N/m2) log u log ∆P

V.5 Bahan/ Zat Kimia

1. Fluida cair dan gas sebagai media untuk membuat unggun terfluidisasi

2. Partikel-partikel padat sebagai unggun yang akan difluidisasi

3. Tipol untuk analisis densitas

V.6 Langkah Perhitungan

V.6.1 Perhitungan Diameter Partikel

Misal diperoleh data:

Perhitungan diameter partikel yang melewati mesh 10 tetapi tertahan di mesh 14

Diketahui: mesh 10, dp = 1.651 mm

mesh 14, dp = 1.168 mm

maka mm 1.40952

1.1681.651dp =+

=

V.6.2 Perhitungan Densitas Partikel

Misalkan data:

- massa piknometer + tipol = 21,871 g

- massa piknometer kosong = 11,596 g

Maka

massa tipol = 21,871 – 11,596 = 10,275 g

Volume tipol = 10 cm3

Densitas tipol = mLg

1010,275

tipolvolume tipolmassa

=

- massa piknometer + partikel = 15,263 g

- massa piknometer kosong = 11,596 g




Maka

massa partikel = 15,263 – 11,596 = 3,667 g

- massa piknometer + partikel + tipol = 24,195 g

- massa piknometer + partikel = 15,263 g

Maka

massa tipol = 24,195 – 15,263 = 8,932 g

Volume tipol = mL 8,689 1,0288,932

tipoldensitas tipolmassa

==

Volume partikel = volume piknometer – volume tipol

= 10 mL – 8,689 mL = 1,311 mL

Densitas partikel = mLg2,806

1,3113,667

partikel volumepartikel massa

==

V.6.3.Kalibrasi Venturimeter

Misalkan data:

- Volume wet test meter = 10 L = 10000 cm2

- ∆hv = 1,8 cmHg

- Waktu yang diprelukan untuk 1 putaran venturimeter = 56 s

- Diameter kolom = 2,5 cm

- Luas kolom = 222 cm 4,9063.(2,5)4π.D

4π

==

- v = cm/s 36,397s 65.cm 4,9063

cm 10000 Luas.Waktu

Volume2

3

==

Dengan mengalurkan data v terhadap ∆hv didapat kurva kalibrasi dengan

persamaan garis linear yang menyatakan hubungan v sebagai fungsi ∆hv.


Tujuan kalibrasi kolom kosong adalah mendapatkan hubungan antara

∆hm grid terhadap ∆hv. Kurva kalibrasi ini didapatkan dengan mengalurkan data

∆hm grid terhadap ∆hv pada beberapa titik, sehingga didapatkan persamaan garis

linear yang menunjukkan ∆hm grid sebagai fungsi ∆hv.




V.6.5 Penentuan Kurva Karakteristik Fluidisasi

Misalkan data:

- pasir dengan mesh -10+14

- ∆hv = 0,3 cmHg

- ∆hm = 3,3 cmH2O

Maka:

- dengan kalibrasi venturimeter (v = f (∆hv)) didapat v = 4,3779 cm/s

- dengan kalibrasi kolom kosong (∆hm grid = f (∆hv)) didapat ∆hm grid =

3,4655 cmH2O

- dihitung ∆hm unggun = ∆hm pengamatan - ∆hm grid

∆hm unggun = 3,3 – 2,4655 = 0,8345 cmH2O

- ∆P = ρp.g. ∆hm unggun = 2,806. 9,8. 0,8345 = 15131 Pa

Dengan mengalurkan log ∆P terhadap log v didapat kurva karakteristik fluidisasi.

V.6.6 Perhitungan Umf

A. Cara Visual

Umf ditentukan pada saat terjadi perubuhan fenomena fluidisasi dari

terfludisasi menjadi unggun diam. Karena itu harus diamati perubahan

fenomena fluidisasi saat kecepatan fluida diturunkan.

B. Cara Grafik

Umf ditentukan pada saat terjadi pembelokan pada arah menurun dari grafik/

kurva karakteristik fluidisasi yang telah dibuat berdasarkan hasil percobaan.

C. Secara Teoretis dengan Persamaan Ergun

Persamaan Ergun:

( )f

mffpp2mf ρ*1.75

)3(*g*ρρ*dU

ε−=

dimana:

dp = diameter partikel (cm)

ρp = densitas partikel (g/cm3)

ρf = densitas fluida (g/cm3)

g = konstanta gravitasi (cm/s2)

εmf = porositas kolom




D. Secara Teoretis dengan Persamaan Wen Yu

( )f

fp2

pmf *1650

g*ρρ*dU

µ−

=

dimana:

dp = diameter partikel (cm)

ρp = densitas partikel (g/cm3)

ρf = densitas fluida (g/cm3)

g = konstanta gravitasi (cm/s2)

µf = viskositas fluida (cP)

Dari persamaan ini terlihat bahwa Wen Yu mendekati partikel sebagai bola,

derajat kebolaan 1.

V.7 Contoh Pengolahan Data

V.7.1 Kalibrasi Venturimeter

Misalkan diperoleh data kalibrasi venturimeter dengan wet test meter berikut:

∆hv (cm) t (s) u (cm/s) 1.1 41.71 12.38816626 1.6 37.28 13.86025791

2 32 16.14720046 2.5 29.7 17.39765706 3.3 29.26 17.65927597

4 29.09 17.76247559 4.9 28.44 18.16843934 5.7 27.7 18.65380559 6.3 26.99 19.14451333 6.8 26.09 19.80492199 8.3 25.2 20.50438154 9.3 24.85 20.79317565 10 24.26 21.29886294

10.9 23.77 21.73792237 11.9 23.57 21.92237653 31.1 23.04 22.42666731 14.2 22.38 23.08804356 15.4 22.18 23.29623151




Dari seri data tersebut diperoleh kurva Kalibasi Venturimeter sebagai berikut:

Kalibrasi Venturimeter

y = -0.024x2 + 1.0294x + 13.498R2 = 0.9302

10

12

14

16

18

20

22

24

26

0 10 20 30 40Delta hv (cm)

u (c

m/s

)

Maka persamaan kalibrasi venturimeter itu adalah:

u = -0.024*(∆hv)2+1.0294*(∆hv)+13.498


Misalkan diperoleh data kalibrasi kolom kosong (grid) dengan venturimeter

berikut:

∆hv (cm) ∆hm grid (cm) 0.4 2.7 0.6 3.8 0.9 4 1.2 5 1.6 5.5 2.2 6.5 3.1 7.5 3.8 8.5 4.6 9.3 5.3 10.1

6 11.2 7.2 12.4




Dari seri data tersebut diperoleh kurva Kalibasi Kolom Kosong sebagai berikut:

Kalibrasi Kolom Kosong

y = 1.3556x + 3.0398R2 = 0.9851

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8Delta hv (cm)

Del

ta h

m g

rid (c

m)

Maka persamaan kalibrasi kolom kosong itu adalah:

(∆hm grid) = 1.3556*(∆hv)+ 3.0398

V.7.3 Hasil Salah Satu Run Percobaan Utama

Misalkan data berikut adalah hasil tempuhan percobaan utama dengan variasi

tertentu:

∆hv (cm)

∆hm total (cm)

∆hm grid (cm)

∆hm (cm) L (cm) Fenomena

0.1 0.8 1.17536 0.37536 3.1 Fixed 0.1 1.7 1.17536 0.52464 3.1 Fixed 0.2 2.9 2.31092 0.58908 3.1 Fixed 0.3 4.2 3.44648 0.75352 3.1 Fixed 0.8 5.3 4.12428 1.17572 3.2 E

1 6.3 4.3954 1.9046 3.2 E 1.1 7.3 4.53096 2.76904 3.2 E,B 1.7 8.3 5.34432 2.95568 3.4 E,S 2.2 9.2 6.02212 3.17788 3.5 C

3 10 7.1066 2.8934 3.6 C 4 11.5 8.4622 3.0378 3.6 C

4.6 12.6 9.27556 3.32444 3.6 C 5.2 13.4 10.08892 3.31108 3.6 C 6.2 14.6 11.44452 3.15548 3.7 C,S 7.2 15.8 12.80012 2.99988 3.7 C,S,F 8.8 17.3 14.96908 2.33092 3.8 C,S,F 9.5 18.4 15.918 2.482 3.8 C,S,F

11.2 20.3 18.22252 2.07748 3.8 C,S,F 12.6 21.8 20.12036 1.67964 3.8 S,F




14 23 22.0182 0.9818 3.9 S,F 14.8 24 23.10268 0.89732 4 S,F 13.8 22.8 21.74708 1.05292 4 S,F 12.4 21.8 19.84924 1.95076 3.9 S,F 11.2 20.4 18.22252 2.17748 3.8 B,F 10.3 19.2 17.00248 2.19752 3.8 B,S,F

9.4 18 15.78244 2.21756 3.8 B,S,F 7.8 16.3 13.61348 2.68652 3.8 B,S,F

7 15.4 12.529 2.871 3.6 C,B,F 5.8 14.2 10.90228 3.29772 3.6 C,B,F 5.3 13 10.22448 2.77552 3.6 C,F 4.3 11.5 8.86888 2.63112 3.6 E,C 3.8 10.5 8.19108 2.30892 3.5 E,C 2.8 9 6.83548 2.16452 3.4 E,C

2 7.1 5.751 1.349 3.4 E 1.2 5.2 4.66652 0.53348 3.4 E 0.8 4 4.12428 0.12428 3.4 Fixed

∆hv (cm) ∆hm (cm) u ∆P log u log ∆P 0.1 0.37536 13.6007 756.30536 1.1335613 2.8786972 0.1 0.52464 13.6007 1057.0866 1.1335613 3.0241106 0.2 0.58908 13.70292 1186.9255 1.1368131 3.0744235 0.3 0.75352 13.80466 1518.2524 1.1400257 3.181344 0.8 1.17572 14.30616 2368.9347 1.1555231 3.3745531

1 1.9046 14.5034 3837.5404 1.1614698 3.584053 1.1 2.76904 14.6013 5579.2833 1.1643915 3.7465784 1.7 2.95568 15.17862 5955.3405 1.1812323 3.7749066 2.2 3.17788 15.64652 6403.0469 1.1944178 3.8063867

3 2.8934 16.3702 5829.8538 1.214054 3.7656577 4 3.0378 17.2316 6120.8025 1.2363256 3.7868084

4.6 3.32444 17.7254 6698.3477 1.248596 3.8259677 5.2 3.31108 18.20192 6671.4289 1.2601172 3.8242189 6.2 3.15548 18.95772 6357.9135 1.2777861 3.8033146 7.2 2.99988 19.66552 6044.3982 1.2937054 3.7813531 8.8 2.33092 20.69816 4696.5241 1.3159317 3.6717766 9.5 2.482 21.1113 5000.9322 1.324515 3.699051

11.2 2.07748 22.01672 4185.8729 1.3427526 3.621786 12.6 1.67964 22.6582 3384.273 1.3552254 3.5294654

14 0.9818 23.2056 1978.2092 1.3655928 3.2962722 14.8 0.89732 23.47616 1807.9921 1.3706271 3.2571965 13.8 1.05292 23.13316 2121.5074 1.364235 3.3266446 12.4 1.95076 22.57232 3930.5473 1.3535762 3.594453 11.2 2.17748 22.01672 4387.3609 1.3427526 3.6422034 10.3 2.19752 21.55466 4427.7391 1.3335412 3.646182

9.4 2.21756 21.05372 4468.1173 1.3233288 3.6501246 7.8 2.68652 20.06716 5413.0154 1.3024859 3.7334393

7 2.871 19.5278 5784.7205 1.2906533 3.7622824 5.8 3.29772 18.66116 6644.5101 1.2709386 3.822463




5.3 2.77552 18.27966 5592.3397 1.2619681 3.7475935 4.3 2.63112 17.48066 5301.3911 1.2425578 3.7243898 3.8 2.30892 17.06316 4652.1967 1.2320595 3.6676581 2.8 2.16452 16.19216 4361.2481 1.2093048 3.6396108

2 1.349 15.4608 2718.0731 1.189232 3.4342611 1.2 0.53348 14.69872 1074.8982 1.1672795 3.0313673 0.8 0.12428 14.30616 250.40929 1.1555231 2.3986504

Dari data tersebut dapat dibuat Kurva Karakteristik Fluidisasi sebagai berikut:

Kurva Karakteristik Fluidisasi

2

2.2

2.4

2.6

2.8

33.2

3.4

3.6

3.8

4

1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4log u

log

delta

P

Perioda Laju Menurun Periode Laju Naik

V.7. 4. Perhitungan Kecepatan Minimum Fluidisasi

A. Cara Visual

Dari rangkaian data yang didapatkan dapat diperkirakan fluidisasi minimum

terjadi saat laju alir udara 14,3 cm/s.

B. Cara Grafik

Dengan garis bantu pada Kurva Karakteristik Fluidisasi diperkirakan

fluidisasi minimum terjadi saat laju alir udara log-1(1,2) = 15,84 cm/s

C. Secara Teoretis dengan Persamaan Ergun

Persamaan Ergun:

( )f

mffpp2mf ρ*1.75

)3(*g*ρρ*dU

ε−=

jika

dp = 0.14095 cm

ρp = 2.806 g/cm3




ρf = 0.00118 g/cm3

g = 981 cm/s2

εmf = 0.65

Maka ( )

cm/s 610.227U0.00118*1.75

.65)30(*981*00118.0806.2*0.14095U

mf

2mf

=

−=

D. Secara Teoretis dengan Persamaan Wen Yu

( )f

fp2

pmf *1650

g*ρρ*dU

µ−

=

dimana:

dp = 0.14095 cm

ρp = 2.806 g/cm3

ρf = 0.00118 g/cm3

g = 981 cm/s2

µf = 1.8*10-4 cP

Maka : ( )

cm/s 14.18U10*.81*1650

981*00118.0806.2*14095.0U

mf

4-

2

mf

=

−=

Dari perhitungan-perhitungan tersebut terlihat besarnya ketidak sesuaian

anatara kecepatan minimum fluidisasi yang diperoleh dengan percobaan

dengan kecepatan minimum fluidisasi dengan perhitungan sesuai teori.

Mengapa?

Daftar Pustaka

1. Fee, C.J., A Simple but Effective Fluidized-Bed Experiment, Chem. Eng. Educ.,

Summer 1994, pp. 214-217

2. Kunii, D., and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann,

Boston, 1991

3. Buku-buku lain yang memuat topik fluidisasi.

Documents

Modul 213 Fluidisasi