I.
PENGANTAR
A. Latar Belakang
1. Permasalahan Fluidisasi adalah proses dimana benda partikel padatan
diubah
menjadi fase yang berkelakuan seperti fluida cair melalui kontak dengan gas atau cairan (Kunii dan Levenspiel 1969). Fenomena ini terjadi pada media yang disebut dengan fluidized bed. Dimana fluidized bed merupakan suatu bejana yang berisi partikel padat yang dialiri fluida dari bawah bejana. Proses fluidisasi terjadi ketika gaya drag dari partikel sebagai akibat dari aliran fluida yang mengalir ke atas melebihi gaya gravitasi dan gaya antar partikel. Menurut Zenz dan Othmer (1960) secara prinsip ada 4 aspek keunggulan yang dimiliki oleh fluidized bed jika dibanding dengan teknologi kontak yang lainnya yaitu; (1) pada aspek kemampuan untuk mengontrol temperatur, (2) kemampuan beroperasi secara kontinu, (3) keunggulan dalam persoalan perpindahan kalor dan (4) keunggulan dalam proses katalisis. Karena keunggulan tersebut, fluidisasi banyak dikembangkan untuk proses di industri, misalnya untuk proses catalitic cracking, pembakaran batubara, gasifikasi batubara, insinerasi limbah padat, pelapisan permukaan logam, pengering dan lain sebagainya. Fluidisasi terjadi di dalam regime yang berbeda, tergantung dari beberapa faktor seperti ukuran partikel, densitas dan geometri, ukuran dan
1
2
geometri bejana, sistem distribusi gas dan kecepatan gas. Regime yang umum adalah bubbling. Void terbentuk di butiran bed dan bergerak dengan cepat. Gerakan gelembung tersebut akan membawa partikel ikut bergerak ke atas yang kemudian akan membentuk pola sirkulasi partikel dalam skala besar. Karakteristik gelembung sangat berpengaruh terhadap karakteristik kerja dari fluidized bed. Analisis perpindahan kalor dan perpindahan massa, proses percampuran partikel dan reaksi kimia pada fluidized bed dikaji berdasarkan karakteristik gelembung yang terjadi (Oka dan Anthony, 2004). Pengaturan gas masuk pada fluidized bed dilakukan oleh distributor udara atau grid dan plenum. Ada beberapa bentuk dan tipe gas distributor yang digunakan dalam fluidized bed. Secara umum bentuk dan tipe tersebut dapat dikategorikan menurut arah aliran masuk udara ke dalam kategori arah aliran ke atas, lateral dan ke bawah.
Bentuk grid yang paling sering
digunakan adalah tipe perforated plates. Tipe ini merupakan tipe arah aliran fluida dari bawah (upward) yang memiliki keuntungan murah dan mudah dalam pembuatan tetapi memiliki kelemahan terjadinya aliran balik partikel ke plenum yang berada di bawahnya. Untuk menutupi kelemahan tipe perforate plates maka digunakan tipe bubble cups dan nozzles yang arah alirannya lateral. Tipe ini memiliki kelemahan pada harga yang mahal dan kendala pada saat pembersihan dan modifikasi. Di samping dua tipe tersebut, di beberapa fluidized bed menggunakan tipe sparger dan conical, tetapi penggunaan dua tipe ini jarang ditemukan.
3
Gambar 1. Beberapa Tipe Distributor (a) Bubble caps (b) Sparger (c) Conical
Pemilihan distributor tidak hanya berdasarkan keunggulan dan kekurangan pada aspek kemudahan operasi dan harga semata, tetapi distributor udara (atau biasa disebut grid) yang digunakan juga harus dapat menjamin terjadinya fluidisasi yang merata dan stabil pada fluidized bed. Penelitian yang telah dilakukan oleh Wormsbecker dan Pugsley (2007) menunjukkan hasil bahwa
perbedaan bentuk dan susunan lubang gas
distributor akan berpengaruh terhadap performansi fluidized bed dryer dimana penggunaan tipe distributor yang berbeda akan berpengaruh terhadap waktu yang dibutuhkan untuk proses pengeringan. Hal yang sama juga ditunjukkan oleh hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Winaya dan kawan-kawan (2004) dimana diameter lubang dan tebal distributor tipe perforate plate
pada gelembung fluidized bed yang digunakan untuk
pengering kopi berpengaruh terhadap performansi pengeringan.
4
Studi yang dilakukan oleh beberapa peneliti menunjukkan bahwa parameter geometri, diameter, jumlah lubang,
jarak antar lubang serta
susunan atau konfigurasi lubang pada gas distributor akan berpengaruh terhadap karakteristik gelembung yang dihasilkan. Saxena et.al
(1979)
melaporkan bahwa bentuk distributor akan berpengaruh terhadap pressure drop ratio antara distributor dan bed (∆Pd/∆Pb) dan bed ekspansion ratio pada bed dimana hal tersebut akan berpengaruh terhadap ukuran gelembung. Hasil investigasi yang dilakukan oleh Otero dan Munoz (1974) menunjukkan bentuk distributor akan mempengaruhi kecepatan awal yang dibutuhkan agar partikel bed dapat bergerak. Eksperimen yang dilakukan oleh Grohse, Zenz dan Othmer menunjukkan bahwa jumlah lubang pada distributor udara akan berpengaruh terhadap ukuran gelembung dan distribusi gelembung (Kunii dan Levenspiel, 1969, Bormann dan Ragland, 1998). Geldart dalam studinya menunjukkan bahwa performa dari fluidized bed gas-padat sangat dipengaruhi oleh karakteristik partikel yang digunakan sebagai medium padat seperti densitas, ukuran partikel, kehalusan, bentuk dan kohesivitas partikel (Wu et al, 2008). Studi yang dilakukan oleh beberapa peneliti kebanyakan menggunakan partikel yang seragam, sedangkan pada aplikasinya beberapa fluidized bed dalam operasinya melibatkan partikel selain partikel bed seperti yang terjadi pada combustor fluidized bed dimana pada operasinya batu bara dan batu kapur berperan sebagai bed sehingga
5
partikel menjadi multi partikel atau polydisper yang memiliki karakteristik yang berbeda baik dalam ukuran maupun densitasnya. 2. Perumusan Masalah Dari uraian di atas diketahui bahwa bentuk distributor berpengaruh terhadap kinerja dari fluidized bed dan penelitian ini akan mengkaji bagaimana pengaruh
perbedaan jumlah lubang pada distributor udara terhadap
karakteristik gelembung pada bubbling fluidized bed dengan beberapa jenis partikel yang berbeda. 3. Keaslian Penelitian Penelitian ini adalah pengembangan dari penelitian fluidized bed yang telah dilakukan oleh peneliti-peneliti sebelumnya. Perbedaan penelitian ini terhadap penelitian yang lainnya adalah pada kajian secara statistik pengaruh jumlah lubang pada distributor udara terhadap kecepatan minimum fluidisasi, ukuran dan kecepatan gelembung dan dilakukan dengan partikel tunggal dan partikel campuran. 4. Faedah Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan akan mampu memberi sumbangan bagi dunia akademik berupa a. kajian tentang fenomena gelembung
yang terjadi pada gelembung
fluidized bed dengan bentuk distributor yang berbeda sehingga akan menjadi tambahan referensi akademis.
6
b. Pendorong untuk perkembangan riset tentang fluidized bed di Indonesia yang saat ini masih jarang dilakukan.
B. Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh distributor udara terhadap karakteristik gelembung yang meliputi; kecepatan minimum fluidisasi, bentuk dan ukuran gelembung dan kecepatan gelembung pada bubbling fluidized bed dengan beberapa jenis partikel. C. Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini meliputi; a. Bed yang digunakan sebagai tempat berlangsungnya fluidisasi dianggap sebagai reaktor 2 dimensi. b. Metode pengukuran diameter partikel menggunakan metode ayakan. c. Gelembung yang dimaksud adalah gelembung yang dapat tertangkap oleh video kamera. d. Analisis gelembung menggunakan metode langsung dimana gelembung diamati dari file gambar jpg yang didapatkan dari hasil pengubahan file video. e. Kecepatan minimum fluidisasi didefinisikan sebagai kecepatan superficial udara dalam bed dan ditentukan dengan metode pengamatan terhadap tekanan di bed.
