Tuhu Agung Rachmanto, Rudi Laksmono: PENGEMBANGAN PERSAMAAN POROSITAS DANERGUN PADA UNGGUN FLUIDTSASI TIGA FASA

PENGEMBANGAN PERSAMAAN POROSIT AS DAN ERGUNPADA UNGGUN FLUIDISASI TIGA FASA

Tuhu Agung Rachmanto, Rudi Laksmono

Jurusan Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan PerencanaanUniversitas Pembangunan Nasional "Veteran" Jawa TimurJI. Raya Rungkut Madya, Gunung Anyar, Surabaya 60294

Telp (031)8782087. Fax (031)8782087Email :Tuhuagung@yaboo.com .) dan Email: rlwidayatno@yahoo.com

Abstrak

Perilaku unggun fluidisasi cair-padat telah dipelajari berdasarkan karakteristik hidrodinamik.. Aspekhidrodinamika meliputi penurunan tekanan, kondisi fluidisasi, porositas dan tinggi dari unggun fluidisasidengan berbagai kecepatan dan partikel cair ukuran pasir kuarsa atau pecahan kaca. Korelasi empiris untukmemprediksi porositas unggun untuk berbagai kecepatan superjisial dikembangkan berdasarkan modeltahanan partikel. Percobaan dilakukan dalam kolom kaea dengan diameter 9 em dan linggi 150 cm. Hasilpenelitian menunjukkan bahwa hubungan penurunan tekanan, kondisi fluidisasi dan diperluas tidurporositas dengan kecepatan cairan superjisial tergantung pada ukuran partikel dan bentuk: Berdasarkananalisis dimensi hubungan antara porositas unggun dan kecepatan cairan superjisial dapat berkorelasi

Kata kunci: porositas, fluidisasi, kecepatan cairan superjisial.

DEVELOPMENT EQUATION POROSITY AND ERGUNON THREE PHASE BED FLUIDIZATION

Abstract

Behavior of liquid-solid fluidized beds has been studied based on hydrodynamic characteristics. Thehydrodynamic aspects include pressure drop, fluidization condition, porosity and height of expanded bedwith various liquid velocity and particle size of quartz sands or glass bead Empirical correlation to predictthe bed porosity for various superficial velocities developed based on particle resistant model .. Experimentconducted in a glass column with diameter of 9 cm and height of 150 em. The result showed that the relationof pressure drop, fluidization condition and expanded bed porosity with superjicial liquid velocity depend onparticle size and shape. Based on dimensional analysis the relation between bed porosity and superficialliquid velocity could be correlated

Keywords: fluidization, porosity, superficial liquid velocity

PENDAHULUAN

Unggun terfluidisasi padat-cair banyakdigunakan dalam operasi-operasi indsutri,misalnya untuk operasi-operasi hidrometalurgi,catalytic cracking, ion exchange, adsorpsi,kristalisasi, sedimentasi, dan lain-lain. Meskipunpopularitas alat-alat tersebut terus bertambabtetapi studi yang telab dilaporkan yangberhubungan dengan karakteristik fluidisasinyamasih relatif sedikit. Padahal, pengetahuanmengenai karakteristik fluidisasi sangat pentingdidalam desain sebuab alat unggun terfluidisasi.

36

Sebagai contoh, hubungan kecepatan-ronggaadalah penting untuk penentuan volume kontaktorIreaktor yang dihitung berdasarkan mekanismereaksi dan fase dimana reaksi berlangsung.Selanjutnya, hold-up fase padat mempengaruhipola alir fase padat dan cair dan jadi secara tidaklangsung mempengaruhi laju perpindahan masadan panas, dan derajat pencampuran.

Umumnya persamaan-persamaan yangdigunakan untuk menggambarkan hubunganpressure drop dan rongga didalarn unggunterfluidisasi bersifat empiris (Garside & AI-Dibouni, 1977; Hirata & Bulos, 1990; Joshi,

Jurnal Teknik Kimia, Vo1.7, No.2, April 2013

1983), hanya beberapa yang ,menurunkan korela-sinya berdasarkan kajian teoritis, misalnyapersamaan-persamaan neraea gaya (Jean & Fan,1989) atau persamaan Navier-Stokes (Molerus,1993).' Disamping itu hubungan-hubungan terse-but hanya berlaku pada selang biJangan Reynoldsterbatas, meskipun beberapa telah menyatakanmemuaskan untuk semua rejim aliran (Garside &Al-Dibouni, 1977; Molerus, 1993).

Garside dan Al-Dibouni (1977) menyarankankorelasi empiris berdasarkan kurva logistik untukmenggarnbarkan hubungan keeepatan cairan-rongga untuk karakteristik unggun partikelterfluidisasi. Meskipun korelasinya berlaku untukbilangan Reynolds rendah, intermediate dantinggi tetapi ada ketidak kontinuan padapersamaan tersebut. Jean dan Fan (1989)mengembangkan model mekanika fluida untukmenggambarkan hubungan keeepatan cairan-rongga. Model mereka didasarkan pada konsepsel dengan mempertimbangkan dua faktor, yaitu:penurunan drag karena keterkaitan partikel danketidak seragarnan medan aliran lokal (ataupengkanalan) karena efek distributor. Akan tetapi,model tersebut terbatas pada kondisi bilanganReynolds rendah « 0,25). Hirata dan Bulos(1990) mengusulkan sebuah korelasi empiris yangmemperkirakan secara ekspJisit porositas unggundidalam sistem fluidisasi padat-cair, Molerus(1990) menurunkan sebuah rumus untuk pressuredrop didalam unggun diam dan unggunterfluidisasi berdasarkan pada analisis persamaanNavier-Stokes dan konsep model sel. Analisanyaberlaku untuk bilangan Reynolds rendah sampaitinggi.

Peogembangan ModelPorositas Dan LajuFluidisasi Solid-Liquid

Hubuogan AntaraAlir Fluida Pada

Model yang dikembangkan disini berdasarkanpada anal isis dimensi dan konsep model sel.Untuk partikel tunggal berbentuk bola yangmengalir didalam sebuah fluida, gaya yangbekerja pada bola merupakan fungsi darikecepatan bola v, densitas fluida p, viskositasfluida "" dan diameter bola D. Dengan analisisdimensi menggunakan metoda Buckingham, limavaria bel mula-mula bisa dihubungkan hanyadalam dua parameter tak berdimensi dalambentuk:

Eu = 4(Re) ( I)

dengan Eu adalah bilangan Euler (= gayatekan/gaya inertia) dan Re adalah bilanganReynolds (= gaya inertia/gaya viskous). Modelresistensi yang dikembangkan dalam penelitianini merupakan modifikasi dari model yang

dikembangkan oleh Molerus. Dari persamaan (I)didapatkan :Eu-K~ ReD (2)

dimana K dan n adalah konstanta yang ditentukandari data eksperimen. Untuk memperolehkonstanta K diperlukan parameter packing z.Oengan garnbaran temormalisasi persamaan (2)dibandingkan terhadap barga pada porositastertentu, yaitu 0,5 didapatkan:

Eu ~ (3)(Euh_o.5 - (~)8-0,5

Jika konsep yang disusun adalah benar, gambarannormalisasi dari pengukuran-pengukuran akansesuai dengan gambaran normalisasi daridimensional rasio x menggunakan harga numerikdarl packing parameter Z, yang didefinisikan olehpersamaan (3).

Prediksi U~, dapat diturunkan dari neraeagaya. Untuk partikel tunggal, gaya drag akanseimbang dengan gaya berat dan gaya apungpartikel:

:rtdp3g :rtdp2 PI 2 (4)PP -PI--6--Co --4-TUt

Untuk sistem unggun terfluidisasi, CD dapatdinyatakan oleh bilangan Euler seperti padapersamaan (I) yaitu jika E -1, Eu - Codan keeepatan interstitial sebagai ganti kecepatanterm inal pengendapan, didapatkan:

:rtdp2g :rtdp2 PI (UI)2 (5)PP -PI--6--Eu-4-2 -;-Oengan memasukkan persamaao (2) ke dalarnpersarnaan (5) dan membandingkan denganpersarnaan (4), dan setelah penyusunan kembalididapatkan :

(6).!:!.L _ 1<. 1 e

LIt ..J{~)~ Rc·,/2

sedangkan : K, _ ~(CD /1<.)'

3. Model Pengembangan Persamaan Ergun.Gaya pada arah aliran, yang diberikan fluida

terbadap benda padat di dalam aliran biasanyadisebut gaya gesek (drag force). Menurut hukumketiga Newton tentang gerakan, benda akanmemberikan gaya yang besamya sarna denganpada fluida, tetapi arahnya berlawanan. Biladinding partikel disejajarkan dengan arab aliran,maka gaya yang bekerja pada dinding partikeltersebut adalah gaya gesek. Tahanao terbadapaliran tluida melalui rongga di hamparan partikelpadatan adalah akibat dari gesekan total semuapartikel dalam harnparan tersebut dan mengaki-

37