FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
PENENTUAN PRESSURE DROP DAN KECEPATAN MINIMUM PROSES FLUIDISASI PADA REAKTOR FIXED BED DAN REGENERATOR Oleh : Arluky Novandy *)
Intisari Proses yang terjadi di reaktor dan regenerator umumnya adalah proses antara gas-solid atau liquid-solid. Untuk mencapai hasil operasi yang optimal, suatu reaksi tidak hanya bergantung pada lama waktu reaksi yang terjadi, tetapi juga bergantung pada kecepatan aliran suatu fluida (liquid atau gas) yang mengalir melewati suatu partikel padat (baca : katalis). Sehingga waktu kontak yang telah ditentukan sesuai dengan order reaksi dari katalis tersebut dapat tercapai dengan baik maka diperlukan suatu pengaturan aliran fluida (baca : feed) yang baik pula.
1. Pendahuluan Istilah “fluidisasi” dulu digunakan untuk menggambarkan proses kontak antara solid dengan liquid. Sebagai gambaran mudahnya, didalam suatu kolom yang mana pada bagian bottom kolom adalah plat yang berlubang yang menyangga tumpukan pasir diatasnya (bed pasir). Kemudian pada bagian bottom kolom dialirkan udara (atau bisa juga air) yang melewati plat berlubang tersebut yang kemudian menembus tumpukan pasir, dimana pada saat udara (atau bisa juga air) yang menembus tumpukan pasir diatur kecepatannya sedemikian rupa sehingga tumpukam pasir tersebut akhirnya menjadi tersuspensi. Pada kondisi ini, butiran pasir akan terpisah dari tumpukannya dan siap bergerak dengan memerlukan sedikit energi saja. Pada gerakan pasir seperti ini, tumpukan pasir didalam kolom yang telah teraerasi tersebut, bergerak seolah olah menyerupai liquid dengan viskositas yang tinggi. Kolom daripada pasir teraerasi tersebut memiliki karakteristik hydrostatis head.. Kondisi bed pasir yang bergerak seperti ini seolah olah memilki properti seperti liquid. Operasi semacam ini seringkali dikenal dengan “Fluidisasi”. Skala besar pertama kali fluidisasi diterapkan di United States pada tahun 1940 yaitu catalytic cracking uap minyak. Prosesnya pertama
kali dijelaskan oleh Murphree pada tahun 1943. Studi awal tentang aliran yang berhubungan dengan proses tersebut di mulai di Massachusetts Institute of Technology (MIT), dan berdasarkan pada studi tersebut, sebuah pilot plant dibuat untuk menguji prinsip dari katalis umpan. Unit catalytic reforming pada Radial Flow Reactor yang bagian utamanya terdiri dari Annulus, Bed Chamber, dan Center Pipe, umumnya beroperasi sebagai fixed bed reactor (gambar 1). Pada konfigurasi radial flow reactor, feed masuk pada bagian top kolom dari reactor. Dengan adanya deflector buffle pada bagian top kolom reactor, feed yang berupa uap tersebut diarahkan masuk ke bagian annulus kolom reactor, yaitu bagian yang berada diantara dinding kolom reactor dan bed katalis. Uap feed masuk menembus bed katalis menuju ke center pipe melalui lubang-lubang center pipe. Uap yang berkumpul di center pipe setelah melalui kontak dengan katalis akhirnya mengalir kebawah kolom reactor . Keberhasilan jalannya operasi pada unit unit Catalytic Reforming bergantung pada fundamental dan studi aplikasi di lapangan mengenai fluidisasi.
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
40
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
mulai dari fixed bed (bed tetap/diam) hingga bed mengalami on set fluidization (minimum fluidisasi). Pada saat gas dialirkan melalui bottom kolom maka kolom pada gambar (a) mendapatkan pressure drop sebesar Pd. Besar kecilnya pressure drop ditentukan pula oleh laju gas dan karakteristik dari bed. Ketika kecepatan gas ditingkatkan, pressure drop juga meningkat sehingga bed mengalami expanded bed, maka pressure drop dirumuskan sebagai berikut :
Pe = Le (1 – εe)(ρs – ρF)…………..(1) Dimana : Gambar 1 : Tipikal Fluidized Gas-Solid System pada Reaktor Fixed Bed Catalytic Reforming
Le
2. Fenomena Fluidisasi Ideal
ρs, ρF
Hasil percobaan dari Wilhelm-Valentine ε e menunjukkan bahwa dengan pengaturan yang tepat antara padatan dan aliran udara, secara nyata, kondisi fluidis mulai dari fluidisasi fase padat hingga terjadi fluidisasi fase terdispersi dapat tercapai dengan baik.
= Tinggi bed pada saat bed mengalami expanding, ft = Densitas solid dan fluida, lb/ft3 = Over all bed voidage fracton saat bed mengalami expanding (dimensionless)
Pd
Pe
Pmf
εe
εmf
εd
(a) ud
(b) ue
(c) umf
Gambar 3 kolom di atas berikut ini menggambarkan urutan proses terjadinya fluidisasi
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
41
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
Minimum fluid voidage yang terbaik terjadi pada system solid-gas contact. Meskipun secara umum kondisi karakteristik dari fluida tidak mempengaruhi harga εmf, tetapi pada kenyataannya fluida liquid akan menghasilkan harga εmf lebih besar dari pada fluida gas. Gerakan partikel padatan yang mengalami minimum fluidisasi dengan liquid berbeda dengan gerakan partikel yang mengalami minimum fluidisasi dengan gas. Pmf = Lmf (1 – εmf)(ρs – ρF)…………..(2) Hal ini karena densitas dan viskositas gas berbeda dengan liquid. Dimana : Semakin besar partikel dan semakin spheres, Lmf = Tinggi bed pada saat fluidisasi minimum, maka harga εmf semakin besar pula. ft ρs, ρF = Densitas solid dan fluida, lb/ft3 = Over all bed voidage fracton saat bed εmf mengalami minimum fluidisasi atau minimum fluid voidage (dimensionless)
Pada saat kecepatan alir gas ditingkatkan lagi, maka pressure drop pada gambar (c) juga meningkat. Pada kondisi ini, bed mulai bergerak dan kondisi ini umumnya disebut dengan kondisi fluidisasi minimum (minimum fluidization atau on set fluidization). Dikondisi ini, secara analog, pressure drop yang telah dicapai adalah :
Minimum Fluid Voidage Salah satu fitur khusus yang harus diketahui pada saat terjadi minimum fluidisasi adalah minimum fluid voidage (εmf). Minimum fluid voidage adalah partikel-partikel padatan mulai bergerak dan mulai menjahui satu sama lainnya. Minimum fluid voidage juga merupakan indikator utama untuk mengetahui terjadinya minimum fluidisasi. Minimum fluid voidage dirumuskan :
Gambar 2 : Korelasi harga εmf dengan diameter partikel (Dp)
3. Permasalahan Sangat jarang sekali ditemui suatu ……….(3) sistem (gas-solid system atau liquid-solid system) yang mengalami fluidisasi dengan baik. Suatu kolom akan mengalami Dimana : fluidiasasi dengan baik bila bed yang ada dalam kolom tersebut tidak mengalami = Over all bed voidage fracton saat bed channeling dan atau slugging. εmf mengalami minimum fluidisasi atau minimum fluid voidage (dimensionless) 3.1. Channeling A = Luas area dari kolom, ft2 Channeling adalah kondisi abnormal = Tinggi bed pada saat fluidisasi yang ditemui pada proses fluidisasi, yaitu Lmf minimum, ft karakter aliran abnormal yang ditunjukkan ρs, ρF = Densitas solid dan fluida, lb/ft3 dengan terbentuknya aliran kecil dari W = Berat bed saat fluidisasi minimum, lb. liquid/gas yang berada diantara tumpukan bed. Hal ini disebabkan karena aliran fluida
εmf = 1 -
Lmf
W A (ρs-ρF)
…(3)
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
42
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
yang melewati tumpukan bed tersebut terlalu besar. Kondisi channeling pada reactor dan regenerator fixed bed akan sulit untuk bisa kembali dari kondisi quiescent fluidized state (minimum fluidization state) ke fixed bed state meskipun aliran dari fluida (gas atau liquid) telah dikurangi.
Gambar 3 : Tipikal kondisi channeling pada bed padatan
Timbulnya channeling pada suatu proses aplikasi fluidisasi sangat berpengaruh pada hasil reaksi. Akibat dari channeling maka kepadatan dari suatu bed tidak homogen. Karena ada sebagian dari bed (baca : katalis) yang tidak mengalami kontak secara baik dengan fluida (gas atau liquid) sehingga hasil yang diperoleh tidak optimal. Selain itu, akan terjadi ketidakseragaman ukuran katalis yang telah mengalami kontak dengan fluida. Efek lainnya yang timbul adalah terjadinya perbedaan yang besar antara local space velocity di dalam bed dengan over all space velocity yang telah direncanakan. Akibat perbedaan dari space velocity yang besar ini maka akan timbul perubahan suhu yang tidak menentu yang akhirnya berpengaruh pada usia katalis yang pendek.atau diluar yang telah direncanakan. Pada proses carbon burn off di regenerator, umumnya memerlukan waktu yang lama. Pada proses ini, temperatur harus dikontrol dengan benar yaitu pada bagian reactor inlet temperature dijaga antara 700 – 750 oF dan pada bagian reactor outlet temperature dijaga maksimal 850 oF . Bila temperatur tidak dijaga pada batas maksimalnya maka akan terjadi kerusakan pada katalis, katalis akan tidak stabil sehingga lifetimenya berkurang. Pada reactor catalytic reforming nafta, perubahan suhu dapat berpengaruh pada oktan nafta yang dihasilkan. Bila melebihi temperature setting yang telah ditetapkan, maka katalis akan
mengalami deactivasi karena seluruh permukaan katalis tertutup karbon. Hal ini akan mempengaruhi cycle lifetime dari katalis. Pada proses yang tidak melibatkan reaksi, seperti pada proses pengeringan padatan, yang mana pada proses ini hanya terjadi mass transfer, kontak yang tidak homogen akan mengakibatkan ketidakefisienan dalam operasinya dan akan membutuhkan design peralatan yang lebih besar. Kecenderungan untuk terjadi channeling pada bed solid umumnya dapat diindikasi dengan rendahnya pressure drop selama proses fluidisasi berlangsung. Perbedaan pressure drop secara teori dan pressure drop hasil pengamatan dilapangan dapat digunakan sebagai tolok ukur awal untuk menduga adanya channeling di bed Beberapa factor yang menyebabkan terjadinya channeling, yaitu antara lain : 1. Size Distribution (ukuran padatan (baca : katalis)) 2. Shape and Density of Solid (bentuk dan densitas dari padatan (baca : katalis)) 3. Chamber Diameter (diameter ruang terjadinya fluidisasi) 4. Design of gas-inlet device 5. Moisture content of the solid Matheson melaporkan bahwa channeling terjadi pada bed katalis synthetis pada proses cracking yang memiliki ukuran kurang dari 10 micron dengan kecepatan aerasi sampai dengan 1 fps (feed persecond). Untuk material yang sama, tapi ukuran materialnya 25 micron dan dengan kecepatan yang sama, akan membentuk agregat kecil berbentuk bola mulai nampak. Pada saat ukuran material ditingkatkan menjadi 40 micron, fluidisasi tanpa adanya channeling berlangsung pada saat kecepatan gas 0,01 fps. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran dari padatan (baca : katalis) dan kecepatan aliran gas (fluida) mempengaruhi terbentuk atau tidaknya channeling pada bed saat proses fluidisasi berlangsung.
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
43
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
Gambar 4 : Hubungan antara Pressure Drop – Flow Fluida untuk fluidisasi yang ideal
Gambar 6 : Tipikal hubungan antara Pressure Drop-Flow Fluida untuk fluidisasi yang mengalami channeling yang disebabkan karena ukuran partikel padatan
Channeling sering juga terjadi disebabkan karena ukuran diameter dari ruang fluidisasi yang terlalu besar bila dibandingkan dengan ukuran partikel. Artinya semakin kecil ukuran dari partikel maka kecenderungan untuk terjadi channeling semakin besar. Dan semakin kecil ukuran diameter bed maka kecenderungan terbentuknya channeling juga semakin besar. Gambar 5 : Tipikal hubungan antara Pressure Drop – Hal ini ditunjukkan data dari Stantan and Flow Fluida untuk fluidisasi yang mengalami channeling Jolley pada table berikut : Channeling yang disebabkan oleh bentuk dan density padatan dapat digambarkan pada grafik berikut ini :
Size of particle, in
Jenis Gas
Tube diameter, in
0,0625-0,0312
udara
3
0,98
0,0165-0,0083
udara
3
1,01
0,0083-0,0041
udara
3
0,97
0,0625-0,0312
Hidrogen
2
1,00
0,0312-0,0166
Hidrogen
2
0,80
0,0166-0,0083
Hidrogen
2
0,85
0,0083-0,0041
Hidrogen
2
0,76
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
Pobs/ Pt
44
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
Pada tabel diatas, kecenderungan terbentuknya adanya keausan yang disebabkan karena channeling ditunjukkan dengan harga rasio antara terjadi slugging pada proses fluidisasi fase pressure drop pengamatan terhadap pressure drop padat di reaktor . teoritis ( Pobs/ Pt). Semakin kecil nilai rasionya, maka semakin besar kecenderungan untuk terjadi channeling.
3.2.
Slugging
Channeling adalah kondisi abnormal yang utamanya berhubungan dengan karakteristik dari fluidisasi fase solid, tetapi ada kejadian abnormal lainnya yang sering ditemui pada fluidisasi fixed bed fasa padat, yaitu Slugging. Slugging paling sering disebabkan karena pemilihan dan design dari peralatan. Karakteristik dari fluida dan solid juga berpengaruh, tetapi pengaruhnya sangatlah kecil bila dibandingkan dengan kejadian pada channeling. Slugging paling sering ditemui pada sisitem gas-solid contact, meskipun tidak menutup kemugkinan juga terjadi pada system liquid-solid. Slugging digambarkan sebagai kondisi dimana gelembung-gelembung gas yang membawa sebagian partikel berkumpul membentuk ukuran yang besar yang mendekati ukuran diameter dari vessel. Sehingga ada gas pocket diantara ‘bed” yang terpisah tersebut, dan kemudian semakin tingginya gas yang naik keatas maka “bed” yang terpisah tersebut akan turun membentuk agregat kecil atau partikel-partikel individu. Dari diskripsi diatas dapat disimpulkan bahwa slugging dari bed adalah distribusi ukuran partikel yang tidak sama (heterogen) yang terjadi pada kontak gas-solid system. Akan halnya pada channeling, pada slugging juga terjadi perbedaan yang besar antara local space velocity di dalam bed dengan over all space velocity yang telah direncanakan, sehingga akan mengakibatkan efek yang negative pada bed, yaitu akan timbul perubahan suhu yang tidak menentu yang akhirnya berpengaruh pada usia katalis yang pendek.atau diluar yang telah direncanakan. Dan juga, slugging dapat mempercepat adanya “keausan” secara mekanis pada permukaan solid yang akhirnya akan menambah cost pada unit catalyst recovery. Biaya perawatan pada reaktor pun akan lebih besar akibat
Gambar 7 : Diagram Pressure drop-flow yang menggambarkan terjadinya slugging
Pada gambar 7, solid mengalami ideal behavior fluidization (perilaku fluidisasi ideal) hingga pada titik minimum fluidization (εmf) atau onset fluidization (mulai terjadinya fluidization). Kemudian laju gas ditingkatkan, dan pressure dop teoritis juga meningkat hingga titik S terlewati maka pada titik tersebut disebut dengan onset of slugging (mulai teradinya slugging). Ketika flow rate gas ditingkatkan lagi, pressure drop semakin meningkat dan bed mengalami slug yang lebih parah. Hal ini dikarenakan adanya friksi antara solid yang mengalami slugging dengan dinding vessel. Peristiwa ini dapat diamati melalui korelasi antara rasio pressure drop pengamatan terhadap pressure drop teoritis vs rasio tinggi bed terhadap diameter bed pada gambar 8 berikut.
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
45
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
Gambar 8 : rasio pressure drop pengamatan terhadap pressure drop teoritis vs rasio tinggi bed terhadap diameter bed
minimum maka akan memerlukan panas reaksi yang kecil. Bila kondisi minimum ini dijaga, bed akan mengalami proses isothermal. 4.1.
Persamaan Pressure drop pada Fixed Bed Persamaan untuk menentukan pressure drop pada fixed bed tanpa memperhatikan bentuk partikelnya adalah sebagai berikut : u
4. Minimum Fluidisasi Kemampuan untuk memprediksi awal terjadinya fluidisasi adalah sangat penting didalam proses fluidisasi dan dalam mendesign suatu reactor fixed bed. Meskipun kebanyakan reactor fixed bed sering kali dioperasikan dengan kecepatan fluida diatas kecepatan minimum dapat berlangsung dengan baik, tetapi sebaiknya untuk memperoleh hasil operasi yang bagus dan life time dari katalis yang lebih lama maka penentuan kecepatan minimum fluidisasi (atau setidaknya sedikit diatas kecepatan minimum) adalah menjadi sangat diperlukan dalam suatu operasi. Sebagaian dari pernyataan berikut ini adalah benar, karena mungkin kondisi kondisi berikut mungkin terjadi : 1. Bed terdiri dari beberapa material yang rapuh, hal ini akan menyebabkan terjadinya keausan 2. Ukuran bed yang diisikan kedalam kolom memiliki variasi yang banyak (wide size spectrum) 3. Panas reaksi dan laju perpindahan panas antara bed dengan sekitarnya adalah tidak diperlukan 4. Diperlukan tinggi bed yang tidak terlalu tinggi, karena umumnya partikel akan mengalami fluidisasi dengan baik tanpa mengalami channeling. Melihat hasil observasi, bahwa reactor fixed bed yang dioperasikan dengan kecepatan minimum akan mengurangi terjadinya keausan dan elutriation losses. Dengan mengaplikasikan kecepatan minimum maka kondisi sampingan yang diperoleh adalah heat transfer antara bed dan dinding kolom relative kecil. Dengan kata lain, bila suatu proses berlangsung dengan kecepatan
mf
µ
εmf)2
…..(4)
Pmf = 200 Dp2
s2
3
c εmf
Bila menggunakan modifikasi fungsi bilangan Reynold atau modified friction factor (fm) maka diperoleh suatu korelasi sebagai berikut : Pmf Dp s c εmf 3
=
u
mf
F
εmf)2
- 1,0
Dp
100
su
F
……………….(5)
µ
Atau Pmf Dp
s
c
εmf 3
fm =
u
mf
F
Dp u
= 100
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
µ
F
εmf)2
- 1,0
……………(6)
46
FORUM IPTEK
VOL 13 NOMOR 03
Untuk Aliran Turbulen
Untuk Fluida Compressible
Pada aliran turbulen yang melewati partikel-partikel Pada kondisi aliran isothermal untuk pressure yang memiliki permukaan halus dirumuskan drop tinggi dan density dari fluida beragam, sebagai berikut : maka korelasi umum yang digunakan adalah : ∆Pmf
mf
3,50 G1,9 µ 0,1( 1 - εmf ) 1,1
P12 – P22 =
= Dp
1,1
s
1,1
F
3 c εmf
……………(7)
2 fm ( 1 - εmf )3-n
ν2
2 Z R G2 T ln c
Lmf
+
ν1
M
3-n
s
3
εmf Dp
…………….(9) Bila menggunakan Modified Reynold Number dan modified friction factor (fm), maka pressure drop aliran turbulen yang melewati partikel-partikel yang memiliki permukaan halus dirumuskan sebagai Ukuran Diameter Partikel yang berbeda berikut: Bila digunakan ukuran diameter dari partikel 3-n 3 yang berbeda beda, maka Reboux telah ∆Pmf Dp s c εmf F mendefinisikannya sebagai berikut :
fm =
2 L mf G2 ( 1 - εmf )3-n ………………(8) dan untuk harga n, state of flow factor, dapat dilihat pada gambar korelasi antara Modified Reynold Numberi vs modified friction factor berikut ini :
1/ Dp = Σ X/dp 4.2.
Persamaan Pressure drop pada Fixed Bed – Persamaan Ergun
Dengan memperhatikan total energy loss pada fixed bed yang terdiri dari komponen viscous dan kinetis, maka Ergun telah merumuskan korelasi umum sebagai berikut :
∆Pmf Lmf
=
εmf)2
εmf3
+
µu
150
εmf
Dp2 Gu
1,75
Gambar 9 : Modified Reynold Numberi vs modified friction factor
εmf3
Dp
…………..(10)
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
47
FORUM IPTEK
4.3.
VOL 13 NOMOR 03
Kecepatan Minimum Fluidisasi
Kecepatan minimum fluidisasi adalah kecepatan minimum dari fluida saat pertama kali 1,82 melewati tumpukan bed tanpa terjadi channeling Gmf = 688 Dp dan atau slugging. Persamaan dasar yang digunakan adalah persamaan (1) dan persamaan pressure drop pada persamaan (8). Modifikasi dari persamaan (8) dan persamaan (1) dihasilkan persamaan kecepatan minimum fluidisasi sebagai berikut: Dp G
2
(ρs - ρF) εmf3
c
s3-n
= 2 fm ( 1 - εmf )3-n
………….(11) Dengan mengganti notasi G dengan Gmf , maka persamaan (11) adalah persamaan kecepatan minimum fluidisasi pada fixed bed. Karena semua sistem gas-solid mulai terjadi fluidisasi pada rate yang nilai bilangan Reynoldnya lebih kecil dari 10, maka kita mensubstitusikan harga fm = 100/Re dan n = 1,0, maka persamaan (11) menjadi : 0,005 Dp2
c
ρF (ρs - ρF)
s2 εmf3
Gmf 2 = µ ( 1 - εmf )
[ρF (ρs - ρF)]0,94 µ 0,88
……………..(14)
Sehingga Gmf dinyatakan dalam pounds per hour per square foot, dan Dp dinyatakan dalam in. Sedangkan ρs dan ρF dinyatakan dalam pound per cubic foot, dan µ dinyatakan dalam centipoises. Nomenclature s
= =
ν1, ν2 M P1, P2
= = =
R T
= =
V Z
= =
u
Superficial velocity through bed, fps Dimensionless of Particle shape factor, V2/3/0,205A ; A = surface area of arbitrarily shaped particle, sq ft Specific volume of fluid, cu ft per lb Moleculer weight of fluid flowing Fluid Pressure, lb per sq ft; P1 = upstream pressure, P2 = downstream pressure Gas Constant Absolute Temperature, oR or oK, depending on dimension of R Volume of a spherical particle, cu ft Compressibility Factor
DAFTAR PUSTAKA
…………………(12) M. Little, “CATALYTIC Persamaan umum lainnya yang bisa digunakan bila Donald REFORMING”, 1985, Penn Well Publishing dikehendaki tidak menggunakan parameter εmf dan Company, Oklahoma, USA. s, tetapi menggunakan parameter bilangan Reynold, maka persamaan (12) menjadi : Max Leva, “FLUIDIZATION”, 1959, McGraw Hill Book Company, USA. C Dp2 c ρF (ρs - ρF) Warren L. McCabe, “UNIT OPERATION OF Gmf = CHEMICAL ENGINEERING”, 5th edition, µ 1993, McGraw Hill Book Company, USA.
…………(13) Penulis : Dimana C adalah fungsi dari DpG/µ , untuk bilangan Reynold lebih kecil dari 5,0 maka C = *) Arluky Novandy adalah 0,0007Re-0,063 dan diekspresikan dalam satuan Fungsional Widyaiswara british dengan mengalikan konstanta c sehingga : Pusdiklat Migas
Pejabat Pertama
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
48
