HIDRODINAMIKA UNGGUN DIAM (MODUL: HUD) disusun oleh: Joko Waluyo ST, MT

MODUL PRAKTIKUM TK 3002 LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA

HIDRODINAMIKA UNGGUN DIAM (MODUL: HUD) disusun oleh: Joko Waluyo ST, MT

Asisten : Joko Waluyo ST, MT dan Yuono ST, MT Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Herri Susanto

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Februari 2016

Laboratorium Instruksional Teknik Kimia

Hidrodinamika Unggun Diam

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI.............................................................................................................................. 2 DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. 2 DAFTAR TABEL ...................................................................................................................... 2 BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................................... 3 BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN ................................................................ 3 II.1 Tujuan: ............................................................................................................................. 3 II.2 Sasaran:............................................................................................................................ 4 BAB III RANCANGAN PERCOBAAN................................................................................... 4 III.1. Perangkat dan Alat Ukur ............................................................................................... 4 III.2. Bahan............................................................................................................................. 5 BAB IV PROSEDUR KERJA ................................................................................................... 5 IV. 1. Diagram Alir Percobaan............................................................................................... 5 IV. 2. Prosedur Percobaan ...................................................................................................... 5 IV.2.1. Karakterisasi Partikel ........................................................................................... 5 IV.2.2. Kalibrasi Venturimeter......................................................................................... 5 IV.2.3. Pengukuran beda tekan kolom ............................................................................. 5 IV.2.4. Penentuan Derajat Kebolaan ................................................................................ 5 IV.2.5. Penentuan Pola Aliran.......................................................................................... 6 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................ 6 LAMPIRAN ............................................................................................................................... 7

DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Rangkaian alat percobaan HUD ................................................................................ 4

DAFTAR TABEL Tabel A.1 Data mentah derajat kebolaan ................................................................................... 7 Tabel A.2 Data mentah pola aliran ............................................................................................ 7 Tabel B.1 Perhitungan Sp dan Vp.............................................................................................. 8

HUD

2



BAB I PENDAHULUAN Gasifikasi merupakan salah satu teknik konversi biomassa menjadi gas bahan bakar atau gas sintesis (biosyngas atau synthesis gas dari biomassa). Sayangnya proses gasifikasi selalu diiringi pembentukan tar yang terikut dalam aliran gas hasil gasifikasi dan mengganggu pemanfaatannya, karena itu perlu disisihkan dari aliran gas. Salah satu metoda penghilangan tar adalah catalytic cracking, dimana tar dikonversi menjadi gas ringan, seperti CH4, H2 dan CO dengan bantuan katalis padat. Pengembangan katalis dan teknik reaksi ini sedang dilakukan di Laboratorium Termofluida dan Sistem Utilitas, Teknik Kimia FTI-ITB. Percobaan dalam modul HUD terkait dengan perancangan reaktor tersebut.

Studi hidrodimanika ini mencakup hilang tekan (pressure drop) serta pola aliran reaktor pipa (apakah dapat mendekati ideal plug flow reactor). Beda tekan sepanjang unggun diam merupakan salah satu besaran operasi yang terkait dengan kebutuhan energi penggerak aliran fluida. Beda tekan aliran ini dipengaruhi oleh karakteristik partikel, seperti ukuran dan derajat kebolaannya, serta porositas unggun (void fraction).

Pada kondisi aktual, penyimpangan dari ideal plug flow reactor sering terjadi, misalnya channeling, axial mixing, recycling, dan daerah mati (stagnant). Pengukuran distribusi waktu tinggal (Residence Time Distribution) diharapkan dapat mencerminkan fenomena tersebut. Dalam percobaan ini, distribusi waktu tinggal ditentukan dengan ganguan aliran step function dan pulse function.

BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN II.1 Tujuan: Pelaksanaan praktikum Modul Hidrodinamika Unggun Diam untuk menanamkan pemahaman mahasiswa pada dasar-dasar aliran fluida melalui unggun diam yang terkait dengan perilaku reaktor heterogen gas-padat, sifat-sifat partikel terkait dengan unggun diam, dan distribusi waktu tinggal aliran fluida dalam unggun diam.

HUD

3



II.2 Sasaran: Praktikum diharapkan terampil untuk melakukan pengukuran dan evaluasi data derajat kebolaan (sphericity) dan diemeter ekuivalen partikel, porositas kolom unggun, persamaan hilang tekan aliran, pembuatan kurva distribusi waktu tinggal atas gangguan step function dan impluse function. Akhirnya, mahasiswa diharapkan untuk memahami ketidak-idealan reaktor alir sumber (Plug Flow Reactor).

BAB III RANCANGAN PERCOBAAN III.1. Perangkat dan Alat Ukur (lihat Gambar 1) 1.

kolom (pipa) tempat penyusunan unggun diam

2.

partikel pengisi unggun dalam berbagai bentuk dan ukuran

3.

kompresor untuk memasok udara yang dialirkan lewat unggun diam

4.

pressure regulator dan needle valve untuk mengatur laju alir udara

5.

manometer pipa-U untuk mengukur hilang tekan sepanjang unggun diam

6.

piknometer untuk mengukur densitas air

7.

galon dan ember untuk kalibrasi laju alir

8.

jangka sorong untuk mengukur dimensi fisik partikel

9.

gelas ukur untuk mengukur porositas unggun

10. gas detector PCA-3 dari Bacharach untuk mengukur konsentrasi N2 dalam aliran udara masuk kolom dan gas keluar kolom 5

Keterangan 1. Pressure regulator 2. Needle valve 3. Gate valve 4. Kolom 5. Sample port 6. Manometer pipa-U 7. Orifice

5 4 5

5 6

Udara 1

2

3 3

7

N2 1

2 6

Gambar 1 Rangkaian alat percobaan HUD HUD

4



III.2. Bahan 1. partikel dengan bentuk dan ukuran mengikuti penelitian tar cracking catalyst 2. udara sebagai aliran fluida utama dan gas N2 (tracer)

BAB IV PROSEDUR KERJA IV. 1. Tahapan Percobaan a. Karakterisasi Partikel b. Kalibrasi Orificemeter c. Pengukuran Beda Tekan Unggun d. Penentuan Derajat Kebolaan e. Penentuan Pola Aliran

IV. 2. Prosedur Percobaan IV.2.1.

Karakterisasi Partikel

a. mengukur dimensi partikel dengan menggunakan jangka sorong b. menghitung diameter partikel efektif c. menentukan porositas unggun dengan memasukkan partikel ke dalam gelas ukur hingga ketinggian tertentu, kemudian memasukkan air yang diketahui volumenya. IV.2.2.

Kalibrasi Orificemeter

a. menyambungkan Orificemeter engan kompresor b. menyambungkan selang keluaran Orificemeter dengan galon berisi air yang dibalik dalam ember c. laju penurunan ketinggian air dalam galon sama dengan laju udara dari kompresor IV.2.3.

Pengukuran Beda Tekan Unggun

a. mengisikan partikel unggun ke dalam kolom, hingga ketinggian yang diinginkan b. merangkai alat dan menyalakan kompresor c. mencatat beda ketinggian pada manometer pipa-U d. memvariasikan laju alir IV.2.4.

Penentuan Derajat Kebolaan

a. melakukan estimasi parameter derajat kebolaan dengan persamaan Ergun b. variabel yang diperoleh dari pengukuran: beda tekan, laju alir, dan tinggi unggun c. variabel yang diperoleh dari literatur: viskositas dan densitas udara

HUD

5



d. nilai derajat kebolaan diestimasi dengan melakukan iterasi hingga perbedaan beda tekan antara hasil percobaan dan perhitungan minimum. IV.2.5.

Penentuan Pola Aliran

a. merangkai alat seperti pada Gambar 1 dengan bahan isian dan tinggi unggun yang ditentukan b. mengalirkan udara dengan kecepatan konstan c. memberikan gangguan dengan mengalirkan gas N2 yang berupa step function dan atau pulse function d. mengukur konsentrasi gas N2 pada keluaran kolom dengan gas detektor setiap waktu tertentu

DAFTAR PUSTAKA 1. Geankoplis, C.J., Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition. Prentice Hall, USA, 1993 2. Levenspiel, O., Chemical Reaction Engineering, 3rd Edition, John Wiley & Sons, USA, 1999 3. McCabe, W.L., J.C. Smith, P. Harriott., Unit Operation of Chemical Engineering, 5th Edition. McGraw-Hill, Singapore, 1993 4. Joko Waluyo, Yuono, Kharisma, J, P.S., Hafizh, I.A dan Herri Susanto, Hidrodinamika Ungun Diam untuk Mempelajari Perilaku Reaktor Katalitik Perengkahan Tar, makalah pada Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia, SNTKI 2015, Yogyakarta 2015

HUD

6



LAMPIRAN A. TABEL DATA MENTAH 1. Penentuan beda tekan dan derajat kebolaan a. bentuk partikel : b. ukuran partikel : c. porositas : d. perlakuan : e. tinggi unggun : f. diameter unggun : Tabel A.1 Data mentah derajat kebolaan kecepatan superfisial, u (m/s)

hilang tekan, ΔP (Pa)

1. 2. 3.

2. Penentuan pola aliran a. b. c. d. e. f. g.

bentuk partikel ukuran partikel porositas tinggi unggun diameter unggun jenis gangguan konsentrasi N2 awal

: : : : : : :

Tabel A.2 Data mentah pola aliran Waktu (s)

Konsentrasi N2

1. 2. 3.

HUD

7



B. PROSEDUR PERHITUNGAN 1. Perhitungan Diamater efektif S 6 Dp = ; av = p av

(1)

Vp

av = permukaan spesifik partikel (m-1) Sp = luas permukaan partikel (m2) Vp = volume partikel (m3) Tabel B.1 Perhitungan Sp dan Vp No. Partikel persamaan geometri 2 1. Bola Sp = 𝜋d Vp = 𝜋r3/6 2. Cincin Sp = (2𝜋doh) + (2𝜋dih) + [0,5𝜋(do2 – di2)] Vp = 𝜋.(do2 -d i2).h 3. Kubus Sp = 6s2 Vp = s3 4. Balok Sp = 2[(ph) + (pl) + (lh)] Vp = p.h.l simbol: do= diameter luar bola atau cincin (m) di = diameter dalam bola atau cincin (m) h = tinggi cincin atau balok (m) s = sisi kubus (m) p = panjang balok (m) l = lebar balok (m) 2. Perhitungan fraksi ruang kosong 𝜀=

𝑉𝑢 −𝑉𝑝

𝜀=

atau

𝑉𝑢

𝑉𝑎

(2)

𝑉𝑢

dengan: Vu = volum unggun, terukur Vp = volum seluruh partikel di dalam unggun Va = volum air pengisi ruang kosong di dalam unggun, terukur 3. Perhitungan hilang tekan ∆𝑝 =

150 𝜇 𝜀 𝑣 ∆𝐿 (1−𝜀)2 𝜙𝑠2 𝐷𝑝2

𝜀3

+

1,75 𝜌 (𝜀 𝑣 )2 ∆𝐿 (1−𝜀) 𝜙𝑠2 𝐷𝑝

∆𝑝 = hilang tekanan (Pa) 𝜇 = viskositas udara (0,000019 Pa.s) ε = void fraction unggun v = kecepatan linear superfisial (m/s) 𝐷𝑝 𝜀 𝜌 𝑅𝑒 = (1−𝜀)𝜇

(3)

𝜀3

∆𝐿 = tinggi unggun (m) 𝜙𝑠 = derajat kebolaan DP = diameter partikel efektif (m) ρ = densitas udara (1,197 kg/m3) (3a)

persamaan (3) berlaku untuk bilangan Reynold antara 10 dan 1000 - jika Re < 10, suku kedua pada pers (3) dapat dihilangkan - jika Re > 1000, suku pertama pada pers (3) dapat dihilangkan. 4. Regreasi dengan SSE dan koefisiennya: 2 𝑆𝑆𝐸 = ∑𝑁 ; 1 (𝑦𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛 − 𝑦𝑝𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 ) 2 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑆𝑡 = ∑𝑁 1 (∆𝑃𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛 − ∆𝑃𝑝𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 ) ;

HUD

𝑅2 =

𝑆𝑆𝐸−𝑆𝑡 𝑆𝑡

; 𝑁

∑ ∆𝑃𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ∆𝑃𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑚𝑎𝑡𝑎𝑛 = 1 . 𝑁

8

HIDRODINAMIKA UNGGUN DIAM (MODUL: HUD) disusun oleh: Joko Waluyo ST, MT

Recommend Documents