Page 1 of 10

PENGAMATAN PERCOBAAN:FLUIDIZATION AND HEAT TRANSFER

1. Tujuan:

Mengamati dan mengukur fluidisasi tumpukan padatan (solid bed). Mengukur kehilangan tekanan pada tumpukan (the pressure loss across the bed) Mempelajari perpindahan panas dalam fluidized bed.

2. Data:(a) Particle density:(b) Particle size:(c) Bulk density:(d) Initial Void fraction, 0:

3. Prosedure Percobaan

A. Setup1. Check that the air compressor valve is closed.2. Switch on the fluidized bed equipment.3. Close the valve V1 (which controls flowrate).4. Open the valve on the air compressor.

B. Experiment 1. Measuring the pressure loss.1. Slide the pressure sensor all the way to the bottom of the bed.2. Adjust the flow rate to 10 L/min. using valve V1.3. Record the flow rate and pressure.4. Increase flow rate by steps of 2 L/min.5. Continue to record flow rate and pressure.6. As soon as the first particle movements are seen, the loosening speed has been reached. Note

the flow rate at this point.7. Continue increasing the flow rate by steps of 5 L/min. until a flow rate of 70 L/min. is

reached.8. Now reduce the flow rate by steps of 5 L/min. until a flow rate of 10 L/min. is reached.9. Plot the pressure loss versus fluid velocity.

C. Experiment 2. Measuring the pressure distribution in the fluid bed.1. Adjust the flow rate to 40 L/min. using valve V1.2. Record the pressure.3. Raise the pressure sensor 10 mm and record the pressure.4. Repeat measurements until the pressure sensor has reached the surface.5. Graph pressure loss versus height and compare with theoretical.

D. Measuring Heat transfer1. Adjust the heater such that it is around 30 mm deep in the mass.2. Adjust the heater power to 30 W. (Note: adjust by reading the ampere and the voltage; the

scale around the control knob is not in units of W)3. Adjust flow rate to 10 L/min.

Page 2 of 10

4. Wait about 5 minutes until the heater has stabilized.5. Read and note the heater temperature T1 and the fluid bed temperature T2.6. Increase flow rate by 10 L/min.7. Wait about 2 minutes. Then read the temperature three times at one-minute intervals. Record

the average of the three temperatures.8. Repeat steps 6 and 7 until the flow rate is 70 L/min. (Note: you may have to adjust the heater

power)9. Calculate the heat transfer coefficient and graph versus fluid velocity.

E. Heat transfer as function of immersion depth.1. Adjust flow rate to 90 L/min.2. Adjust the height of the heater such that it is just above the surface.3. Wait about 5 minutes until the heater has stabilized.4. Read and note the heater temperature T1 and the fluid bed temperature T2.5. Lower the heater in 10 mm steps.6. Wait about 2 minutes. Then read the temperature three times at one-minute intervals. Record

the average of the three temperatures.7. Repeat steps 6 and 7. (Note you may have to adjust the heater power)8. Calculate the heat transfer coefficient and graph versus depth.

4. Hasil pengamatan

(a) Matikan heater. Catat pressure pada bagian bed paling bawah dan diatas bed(dalam cm H2O) vs. volumetric flow rate dalam liters/min. Hitung pressure dropsepanjang bed. Lakukan untuk flow rate naik dan flow rate turun.

Flow rate,l/min

p-bottom,cm H2O

p-above,cm H2O

Pressure drop,cm H2O

Tinggibed, cm Pengamatan visual bed

naik

turu

n

Page 3 of 10

(b) Analisis faktor friksiFaktor friksi aliran fluida melalui packed bed statis (fixed bed), fp, danReynolds number partikel, NRe,p, dapat dihitung dengan rumus berikut.

(1)

(2)

dimanaP = pressure drop across the bedL = bed depth or lengthgc = conversion constant (= unity if SI units are used)Dp = particle diameter= fluid density= bed porosity or void fractionVo = superficial fluid velocity= fluid viscositys = sphericity

Hitung perkiraan faktor friksi aliran menurut Ergun (modifikasi korelasiKozeny-Carman dan Blake-Plummer):

(3)

Flow rate,l/min NRe,p p

fp -experiment

fp -Ergun error

naik

turu

n

Page 4 of 10

(c) Minimum fluidization velocityPada kecepatan fluida cukup tinggi, total drag force pada partikel bed akanmenyamai dengan gaya gravitasi yang dimiliki partikel dan partikel mulaimelayang-layang (bed mulai mengalami fluidisasi). Situasi ini dapatdigambarkan dengan kesetimbangan gaya berikut:

(4)

dimanaM = void fraction pada kecepatan fluidisasi minimumA = cross-sectional area bedp = particle densityg = gravitational constantM = massa total packing/bed.

Kecepatan fluida minimum agar tetap terjadi fluidisasi sering disebut denganincipient velocity, V0M.Menurut McCabe (edisi 4 dan edisi 5), incipient velocity dapat dihitung sebagaiberikut:

(5)

Faktor pertama dari ruas kanan mengandung sphericity partikel dan bed porositypada titik awal fluidisasi. Faktor pertama ini sangat sensitif terhadap perubahankedua nilai tersebut, tetapi keduanya sulit diketahui dengan teliti.

Bila partikel dianggap bola s 1dan porositas M0.4 maka nilai faktorpertama adalah 0.00071, tetapi bila M0.413 maka faktor pertama menjadi0.0008.

Peneliti lain [D. Geldhart, "Types of Fluidization," Powder Technology, 7(1973), 285-292; Geldhart and Abrahamsen, Powder Technology, 19 (1978),133-136] mengganti faktor pertama dengan konstanta 0.0008 sehingga korelasimenjadi:

(6)

Bandingkan incipient velocity hasil pengamtan percobaan dengankorelasi persamaan 5 dan 6.

Flow rate 0M 0M pers (5) 0M pers (6)

Page 5 of 10

percobaanNaikTurun

(d) Perilaku bed muai (expanded bed)Bila kecepatan fluida melebihi kecepatan fluidisasi minimum maka bed akanmemuai. Porositas bed dapat dikorelasikan secara empiris seperti yangdiusulkan Richardson dan Zaki [J.F. Richardson and W.N. Zaki, Trans. Inst.Chem. Engrs., 32, 35 (1954)] sebagai berikut:

(7)

Dimana ut adalah terminal velocity untuk partikel bola dalam medium pem-fluidisasi. Eksponen n tergantung pada kondisi aliran yaitu bilangan Reynoldspada kecepatan terminal.

(8)

(9)

(10)

(11)

Pada persamaan (8) (11) tersebut, Reynolds number partikel dihitung padakecepatan terminal partikel dalam medium pem-fluidisasi.

Note:Persamaan (7) pada hakikatnya sama dengan di text bookMcCabe, yaitu Eq. (7-61), p. 152, 4th Ed. dan Eq. (7.59), p. 171,5th Ed., karena terminal velocity partikel konstan.

Fraksi void dari bed yang muai, , dapat dihubungkan dengan fluidisasiincipient sebagai berikut:

dimana LM dan M adalah tinggi bed dan fraksi void pada fluidisasi incipient, danL tinggi bed terukur saat muai.

Bilangan Reynolds pada pers.(8)-(11) diatas memerlukan diameter partikel, Dp,dan kecepatan terminal, ut. Kecepatan terminal partikel dapat diukur daripercobaan terpisah atau diperkirakan dengan korelasi berikut:

(12)

Page 6 of 10

dimana CD menyatakan drag coefficient. Persamaan diatas dapat dihitung trial-and-error antara CD dan NRe,p menggunakan grafik CD versus NRe,p padatextbook (McCabe Figure 7-3, p. 131 of the 4th Ed. dan Figure 7.6, p. 158 of the5th Ed.).

Hitung kecepatan terminal partikel, fraksi void () percobaan danperkiraan.

Teminal velocity:Nre,p :

Persamaan n:

VoM, m/sTinggi bed,

cm -

percobaan - teori

(e) Perpindahan panas fixed bed

i. Atur flow rate udara hingga bed terfluidisasi dan benamkansempurna heater kedalam bed. Kecilkan fow rate sehingga bedmenjadi fixed bed.

ii. Pertahankan fow rate pada suatu nilai tertentu (tetap pada kondisifixed bed).

iii. Hidupkan heater, amati volt meter dan ampere meter sehinggadiperoleh nilai Watt tertentu. Bila meter menunjuk mati-hidup,kecilkan pengatur voltage. Voltage terlalu tinggi!

iv. Amati dan catat suhu heater dan bed setelah tidak terlihatperbedaan bacaan (kurang lebih 5 menit).

v. Kerjakan ii s/d iv dengan flow rate yang lain (4 macam).

vi. Ulangi ii s/d v untuk watt yang berbeda (3 macam)

vii. Hitung heat transfer coefficient dengan rumus

21 TTAQh

h

Dimana: Q = power heater (W), Ah = total luas permukaan heater.

Page 7 of 10

Tinggi heater dari dasar, cm :

Diameter heater, cm :

Panjang heater, cm :

F1

Voltage (V) Arus (A) Flow rate, l/m T1 T2

F2

Q, J/s Flow rate, l/s h, J/(s - m2- K

Page 8 of 10

(f) Perpindahan panas fluidized bed

i. Atur flow rate udara hingga bed terfluidisasi dan benamkansempurna heater kedalam bed.

ii. Pertahankan fow rate pada suatu nilai tertentu (tetap pada kondisifluidized bed).

iii. Hidupkan heater, amati volt meter dan ampere meter sehinggadiperoleh nilai Watt tertentu. Bila meter menunjuk mati-hidup,kecilkan pengatur voltage. Voltage terlalu tinggi!

iv. Amati dan catat suhu heater dan bed setiap menit sampai tidakterlihat perbedaan bacaan.

v. Kerjakan ii s/d iv dengan flow rate yang lain (4 macam).

vi. Ulangi ii s/d v untuk watt yang berbeda (3 macam)

vii. Hitung heat transfer coefficient dengan rumus pada (e).

Page 9 of 10

Tinggi heater dari dasar, cm :

Diameter heater, cm :

Panjang heater, cm :

F3

Voltage (V) Arus (A) Flow rate, l/m T1 T2

F4

Q, J/s Flow rate, l/s h, J/(s - m2- K

Page 10 of 10

5. Diskusi

(a) Uraikan mana yang lebih cocok dengan data percobaan saudara,korelasi Ergun, Kozeny-Carman, atau Blake-Plummer?

(b) Berapakah nilai n untuk void fraction muai bagi data saudara? Cocokkahdengan korelasi yang ada? Beri komentar.

(c) Bandingkan heat transfer coefficient pada kondisi fixed bed denganfluidized bed.

(d) Cari korelasi teoritis atau empiris untuk heat transfer fixed bed maupunfluidized bed. Bandingkan dengan data sudara.

6. Kesimpulan