## PENGARUH MASSA JENIS PARTIKEL DAN KETINGGIAN PARTIKEL TERHADAP FENOMENA FLUIDISASI DALAM FLUIDIZED BED DENGAN MENGGUNAKAN CFD
Rosyida Permatasari, Feliks Handrianus, Christina Eni Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti Jl. Kyai Tapa 1, Jakarta, Indonesia Email: prosyida@gmail.com feliks.han@gmail.com  enimesin@gmail.com
Abstrak -- Kecepatan minimum dan tekanan statis partikel merupakan fenomena yang penting dalam desain  fluidized  bed.  Fenomena-fenomena  tersebut  dipengaruhi  oleh  banyak  faktor  dalam  fluidized bed,  diantaranya  massa  jenis  dan  tinggi  partikel  di  dalam  fluidized  bed.  Penelitian  ini  menggunakan beberapa  massa  jenis  partikel  dan  rasio  ketinggian  partikel  terhadap  diameter  fluidized  bed  (H/D) dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Partikel yang digunakan adalah partikel jenis  Geldart  B  yaitu  glass  beads (ρ=2600  kg/m 3 ),  ground  walnut  shell (ρ=1200  kg/m 3 )  dan  ground corncob (ρ=800 kg/m 3 ),  sedangkan  rasio  ketinggian  partikel  yang  digunakan  yaitu  0,5;  1;  1.5;  2  dan 2,5.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  massa  jenis  partikel  berbanding  lurus  dengan  kecepatan minimum fluidisasi dan ketinggian partikel tidak mempengaruhi kecepatan minimum fluidisasi.
Kata kunci : Fluidisasi, kecepatan minimum, massa jenis partikel, ketinggian partikel, CFD
Abstract --  Minimum  velocity  and  static  pressure  of  the  particles  are  important  phenomenon  in  the design of fluidized bed. This phenomenon is influenced by many factors including particle density and particle  height  in  the  fluidized  bed.  This  research  uses  different  particle  density  and the  ratio  of  the height  of the  particle  and  bed  diameter  of fluidized  bed  (H  /  D)  using  Computational  Fluid  Dynamics (CFD). The particles used are particles with a kind of Geldart B are glass beads (ρ = 2600 kg / m3), ground walnut shell (ρ = 1200 kg / m3) and ground corncob (ρ = 800 kg / m3), while the ratio of height of  the  particles  used  0.5;  1;  1.5;  2  and  2.5.  .  The  results  showed  that  the  density  of  the  particle  is proportional  to the  minimum  fluidization  velocity  but  H/D  ratios  do  not  affect  the  minimum  velocity  of fluidization.
Keywords : Fluidization, minimum velocity, particle density, particle height, CFD

## PENDAHULUAN
Penggunaan  dari  fluidized  bed  banyak ditemukan  pada  berbagai  aplikasi  industri termasuk  industri  mineral,  kimia,  minyak  tanah, dan farmasi. Tetapi pengetahuan akan fenomena yang  terjadi  di  dalam  fluidized  bed  masih  belum sepenuhnya  dipahami  (Escudero  dan  Heindel, 2011).  Hasil  yang  optimal  dari  fluidized  bed bergantung kepada parameter-parameter tertentu dari fluidized bed (Escudero dan Heindel, 2011). Diantaranya kecepatan minimum fluidisasi dari  fluidized  bed  serta  tekanan  dari  fluidized bed.  Pada  penelitian  ini,  akan  ditunjukkan pengaruh  dari  massa  jenis  partikel  serta ketinggian  partikel  di  dalam  bed  terhadap kecepatan minimum fluidisasi.
Computational Fluid Dynamic (CFD)
merupakan  salah  satu  metode  rekayasa  yang digunakan untuk mengetahui parameter- parameter  pada  fluidized  bed.  CFD  secara numerik membantu penggunanya untuk mengamati penggerakan fluida pada suatu ruang
tertentu,  salah  satunya  yaitu  fluidized  bed (Tripathy et. al ., 2016).
Pemodelan  CFD  yang  digunakan  pada penelitian  ini  yaitu  Eulerian-Eulerian.  Pemodelan Eulerian-Eulerian  biasanya  diaplikasikan  ke pemodelan  CFD  pada  sistem  multifasa.  Model Eulerian-Eulerian  disebut  juga  dengan  model aliran  granular.  Granular  Flow  Models  (GFM) berbasis  rangkaian  kesatuan  dan  lebih  sesuai untuk simulasi besar  dan kompleks pada reaktor fluidized bed yang terdiri dari jutaan solid partikel.
Penelitian  David  Escudero  dan  Theodore J.  Heindel menyatakan bahwa  kecepatan minimum  fluidisasi  didapatkan  dari  tinggi  bed untuk  tiga  jenis  partikel  yang  diuji  ( glass  beads , ground  walnut  shell ,  dan ground  corncob )  dan glass  beads , ground  walnut  shell dan ground corncob memiliki  massa  jenis  yang  berbeda  dan massa  jenis  tersebut  berbanding  lurus  dengan kecepatan  minimum  fludisasi.  Pada  percobaan ini glass  beads yang  memiliki  massa  jenis tertinggi memiliki kecepatan minimum tertinggi di
antara  yang  lainnya  (Escudero  dan  Heindel, 2011).
Penelitian  D.  Geldart  pada  jurnal  yang berjudul  “The  Effect  of  Particle  Size  and  Size Distribution  on  the  Behaviour  of  Gas-Fluidized beds”  menyatakan  bahwa  untuk  partikel berukuran  diameter  40µm<d<500µm  dan  massa jenis 1,4g/cm3<ρ<4g/cm3, ukuran bubble (gelembung)  bergantung  kepada  ukuran  partikel dan  distribusi  ukuran  partikel  dan  ukuran bubble (gelembung)  pada  chamber  bergantung  pada jarak antara distributor udara (Geldart, 1972).
Kecepatan  minimum  fluidisasi  (V 0 )  adalah kecepatan  superfisial  fluida  minimum  dimana fluidisasi  mulai  terjadi  (Satrio,  2008).  Kecepatan minimum fluidisasi dapat dihitung dari persamaan untuk partikel bulat yaitu (Gidaspow, 1994):
(1)
(2)

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan ANSYS FLUENT  sebagai  software  untuk  menganalisa dinamika  fluida  dan  GAMBIT  sebagai  software untuk membangun geometri dari fluidized bed.
Dimensi dari fluidized bed yang digunakan, sebagaimana  diperlihatkan  pada  Gambar  1, memiliki  tinggi  chamber  2  m,  diameter  chamber sebesar  164  mm,  tinggi  distributor  udara  10  cm, diameter  distributor  udara  50  mm  dan        besar pori  distributor  udara  5  mm  berjumlah  30  buah dengan  masing-masing  6  buah  pori  pada  setiap baris.
Partikel  yang  digunakan berjenis geldart  B diperlihatkan  pada  Tabel  1,  yaitu glass  beads , ground  walnut  shell dan ground  corncob dengan massa jenis masing-masing 2600, 1200 dan 800 kg/m 3 secara  berurutan  (Escudero  dan  Heindel, 2011),  sedangkan  ketinggian  partikel  yaitu dengan  menggunakan  rasio  antara  ketinggian partikel  terhadap    diameter  sebesar  H/D  0.5,  1, 1.5,  2,  dan  2.5  dari  dasar  bed.  Ukuran  diameter partikel  yang  akan  digunakan  sama  yaitu  500 µm.

## Tabel 1. Partikel Fluidized Bed
Jenis partikel Tipe partikel Massa jenis partikel (kg/m 3 ) Glass beads Geldart B 2600 Ground walnut shell Geldart B 1200 Ground corncob Geldart B 800
Gambar 1. Geometri Fluidized Bed
Tabel  2  memperlihatkan  parameter-parameter yang  digunakan  dalam  simulasi  CFD  (Cloete et. al ., 2014).
Tabel 2. Parameter Penelitian Simbol Deskripsi Nilai Keterangan  g Massa jenis gas 1.255 kg/m 3 Pada kondisi udara ambient d s Diameter partikel 500-600  m Tiga ukuran partikel e ss Koefisien restitusi 0.9 Nilai tetapan ε s,max Fraksi volum padatan maksimum 0.61 Syamlal et al.  Sudut gesekan internal 25 0 Johnson dan Jackson D t Diameter chamber 164 mm Nilai tetapan H 1 Tinggi chamber 2000 mm Nilai tetapan H 0 Tinggi awal partikel pada bed 82, 164, 246, 328, 410 mm Nilai tetapan U g Kecepatan awal gas 1 m/s Kondisi batas masuk Kecepatan Kondisi batas keluar Aliran keluar ∆ t Langkah waktu 0.01 s Ditentukan Maksimal perulangan 20 Ditentukan Kriteria konvergensi 10 -3 Ditentukan

## DISKUSI DAN ANALISA
Massa jenis partikel merupakan salah satu faktor yang berpengaruh  dalam  fluidisasi. Penelitian  ini  menggunakan  tiga  buah  partikel sebagai  variabel  untuk  menentukan  pengaruh
dari  massa  jenis  pada fluidized  bed yaitu glass beads, ground walnut shell, dan ground corncob. Kecepatan  minimum  fluidisasi  tercapai ketika  tekanan  dari fluidized  bed cenderung stabil. Puncak titik dari tekanan yang labil menuju ke  stabil  dikatakan  sebagai  kecepatan  minimum fluidisasi  (Gidaspow,  1994).  Persamaan  teoritis dari  hubungan  massa  jenis  dengan  kecepatan minimum fluidisasi dapat dilihat pada Persamaan (1).
Pada  Tabel  3,  g round  corncob sebagai partikel  yang memiliki massa jenis terkecil selalu memiliki  kecepatan  minimum  fluidisasi  yang terendah  dibandingkan  partikel  lainnya  yang bermassa  jenis  lebih  besar.  Sedangkan glass beads yang  memiliki  massa  jenis  terbesar diantara  lainnya  memiliki  kecepatan  minimum fluidisasi  terbesar  diantara  yang  lainnya.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  massa  jenis  dari  partikel berbanding  lurus  terhadap  kecepatan  minimum fluidisasi  (U mf ).  Pernyataan  ini  serupa  dengan persamaan  yang  dikemukakan  oleh  Sabri  Ergun (Gidaspow,  1994)  pada  Persamaan  (2).  Hasil pada  Tabel  1  yang  dituangkan  pada  Gambar  2 terlihat  bahwa  rasio  ketinggian  partikel  dengan diameter fluidized  bed (H/D)  tidak  mempunyai pengaruh  yang  signifikan  terhadap    kecepatan minimum fluidisasi.
Gambar  3  sampai  dengan  5  menunjukkan kondisi  dari fluidized  bed pada  detik  1-5  dengan time  step  sebesar  0,01s.  Kondisi  dari  gambar dipisahkan  dan  dibedakan  berdasarkan  fraksi volum  dari  masing-masing  partikel.  Sampel gambar diambil pada ketinggian partikel 164mm.
Glass  beads pada  Gambar  3  yang  memiliki massa  jenis  terbesar  menunjukkan  bahwa  pada
detik  ke-3,  partikel  partikel glass  beads sudah terekspansi  ke  atas.  Fenomena  pada  detik  ke-3 ini disebut dengan fenomena incipient fluidization dimana  keadaan  tersebut  tercapai  kecepatan minimum fluidisasi.

## Tabel 3. Kecepatan Minimum Fluidisasi
Material H/D Umf (m/s) Umf (cm/s) df* Umf (cm/s) dj* Glass beads 0.5 0.372256 37.2256 22.5 1 0.3767 37.67 21.3 1.5 0.356 35.6 20.7 2 0.408 40.8 23.8 2.5 0.462801 46.2801 22 Ground walnut shell 0.5 0.3315 33.15 20.6 1 0.348378 36.6852 19.2 1.5 0.329905 32.9905 20.1 2 0.3735 37.35 19.9 2.5 0.376393 37.6393 20.1
Ground corncob 0.5 0.316837 31.6837 14 1 0.366852 34.8378 14.7 1.5 0.265804 26.5804 13.9 2 0.309529 30.9529 13.8 2.5 0.251415 25.1415 14.4
Sedangkan  pada  Gambar  4  fenomena incipient  fluidization  tercapai  pada  detik  ke-4, dimana  sudah  ada  partikel  dari ground  walnut shell yang sudah terekspansi ke atas. Pada detik ke-5 menunjukkan bahwa partikel sudah terekspansi ke atas dengan baik.
Sedangkan pada Gambar 5, pada detik ke- 3  dan  ke-4  partikel ground  corncob belum terfluidisasi. Barulah pada detik ke-5 partikel baru mulai  sedikit  terekspansi  ke  atas  atau  mencapai kecepatan minimum fluidisasinya.
Gambar 2. Fungsi Ketinggian Partikel terhadap Kecepatan Minimum Fluidisasi
Dari  analisa  Gambar  3  sampai  dengan Gambar  5  yang  memiliki  massa  jenis  yang berbeda-beda  pada  setiap  partikel fluidized  bed , glass  beads pada  Gambar  3  yang  memiliki massa jenis terbesar (ρ=2600 kg/m 3 ) merupakan partikel yang paling cepat terfluidisasi dibandingkan dengan partikel lainnya.
Berikutnya  diikuti  oleh ground  walnut  shell (ρ=1200  kg/m 3 )  yang  memiliki  massa  jenis diantara glass  beads dan ground  corncob . Ground  corncob (ρ=800  kg/m 3 )  yang  memiliki massa  jenis  terendah  diantara  lainnya,  memiliki waktu  fluidisasi  yang  paling  panjang  diantara
partikel  lainnya  yang  memiliki  massa  jenis diatasnya.
Hal  ini  berkaitan  dengan  kecepatan minimum  fluidisasi  dari  partikel  terhadap  massa jenis,  dimana  partikel  dengan  massa  jenis tertinggi  yaitu glass  beads memiliki  kecepatan minimum fluidisasi tertinggi.
Sehingga partikel glass beads mempunyai waktu  fluidisasi  yang  lebih  singkat  dibandingkan dengan yang lainnya. Waktu terlama oleh ground corncob disebabkan  oleh  kecepatan  minimum fluidisasinya yang kecil.
Gambar 3. Kontur Glass beads (1-5 detik)
Gambar 4. Kontur ground walnut (1-5 detik)

## KESIMPULAN
Hasil penelitian menunjukkan bahwa glass beads yang  memiliki  massa  jenis  yang  besar memiliki  kecepatan  minimum  fluidisasi  terbesar diantara  yang  lainnya. Ground  corncob yang memiliki  massa  jenis  yang  terendah  memiliki kecepatan  minimum  fluidisasi  terendah  pada setiap ketinggian masing-masing.
Selain  itu, glass  beads yang  memiliki massa jenis partikel terbesar menunjukkan waktu fluidisasi  tercepat  diantara  lainnya  diikuti  oleh ground  walnut  shell dan ground  corncob secara berurutan.

## DAFTAR PUSTAKA
Cloete,  Schalk.,  Johansen,  Stein  Tore.,  Amini, Shahriar. Grid  independence  behaviour  of fluidized  bed  reactor  simulations  using  the Two Fluid Model: Effect of particle size . NTNU
Department of Energy and Process Technology, Trondheim, Norway. 2014. Escudero,  D.,  &  J.  Heindel,  T.  Bed  Height  and
Partikel  Density  Effects  on  Fluidized  bed
Hydrodynamic. Chemical Engineering
Science. 2011; 66: 3648-3655.
http://dx.doi.org/j.ces.2011.04.036
Geldart,  D.  The  Effect  of  Particle  Size  and  Size Distribution  on  the  Behavior  of  Gas-Fluidized beds. Powder  Technology. 1972;  6  (4):  201- 215.
http://dx.doi.org/10.1016/0032- 5910(72)83014-6 Gidaspow, Dimitri. Multiphase Flow and Fluidization .  Chicago:  Academic  Press  Inc. 1994.
Satrio,  Agus  M. Fluidisasi .  Modul  Operasi Laboratorium Teknik Kimia. Cilegon:
Universitas Sultan Ageng. 2008.
Tripathy, A., Bagchi, S., Biswal, S.K. and Meikap, B.  C.  Study  of  particle  hydrodynamics  and misplacement  in  liquid-solid  fluidized  bed separator. Chemical  Engineering  Research and Design.
2017; 117: 520-532. http://dx.doi.org/10.1016/j.cherd.2016.11.009