Artikel ini memaparkan hasil penelitian yang diperoleh melalui aplikasi komputasi dinamika fluida (Computational Fluida Dynamic,CFD) untuk mensimulasi medan alir di dalam siklon persegi. Perangkat lunak Gambit digunakan sebagai pre-processor untuk menggambar konfigurasi, diskritisasi, dan pendefinisian kondisi batas siklon. Geometri siklon silinder Lapple dan persegi ditinjau dari volume yang sama. Diameter siklon yang digunakan 0,2 m menyesuaikan dengan diameter siklon silinder Lapple yang digunakan Wang pada eksperimennya, dengan kondisi operasi  ditentukan pada laju alir gas sebesar 0,1m3/s sementara beban partikel dalam  laju alir gas sebesar 0,01kg/m3. Perangkat lunak CFD FLUENT 6.2.16 digunakan untuk simulasi medan alir dan dinamika partikel dalam siklon. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh geometri siklon persegi terhadap medan alir, efisiensi dan penurunan tekanan. Prediksi yang dihasilkan memberikan informasi mengenai medan alir berupa kecepatan axial dan tangensial di dalam siklon serta informasi efisiensi dan penurunan tekanan. Hasil kajian menunjukkan bahwa kecepatan tangensial mendominasi medan alir di luar garis tengah siklon, sementara kecepatan aksial mendominasi medan alir di daerah garis tengah siklon. Penurunan tekanan yang terjadi pada siklon persegi lebih tinggi dari siklon silinder, namun efisiensi untuk siklon persegi lebih tinggi dibandingkan siklon Lapple

Bindar, Yazid

Sylvia, Novi

English

Open Journal Unimal (e-Jurnal Universitas Malikussaleh)

Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1-12JurnalTeknologiKimiaUnimal1Jurnal Teknologi Kimia Unimalhomepage jurnal: http://ft.unimal.ac.id/jurnal_teknik_kimiaANALISIS EFISIENSI DAN PENURUNAN TEKANAN PADA SIKLONPERSEGI MENGGUNAKAN CFDNovi Sylvia1, Yazid Bindar21Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Malikussaleh2Departemen sistem energi dan proses, Fakultas Teknik Industri, Institut TeknologiBandungKorespondensi: HP: 085260046742, e-mail: nxsylvia@gmail.comAbstrakArtikel ini memaparkan hasil penelitian yang diperoleh melalui aplikasikomputasi dinamika fluida (Computational Fluida Dynamic,CFD) untukmensimulasi medan alir di dalam siklon persegi. Perangkat lunak Gambitdigunakan sebagai pre-processor untuk menggambar konfigurasi, diskritisasi, danpendefinisian kondisi batas siklon. Geometri siklon silinder Lapple dan persegiditinjau dari volume yang sama. Diameter siklon yang digunakan 0,2 mmenyesuaikan dengan diameter siklon silinder Lapple yang digunakan Wang padaeksperimennya, dengan kondisi operasi  ditentukan pada laju alir gas sebesar0,1m3/s sementara beban partikel dalam  laju alir gas sebesar 0,01kg/m3.Perangkat lunak CFD FLUENT 6.2.16 digunakan untuk simulasi medan alir dandinamika partikel dalam siklon. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahuipengaruh geometri siklon persegi terhadap medan alir, efisiensi dan penurunantekanan. Prediksi yang dihasilkan memberikan informasi mengenai medan alirberupa kecepatan axial dan tangensial di dalam siklon serta informasi efisiensidan penurunan tekanan. Hasil kajian menunjukkan bahwa kecepatan tangensialmendominasi medan alir di luar garis tengah siklon, sementara kecepatan aksialmendominasi medan alir di daerah garis tengah siklon. Penurunan tekanan yangterjadi pada siklon persegi lebih tinggi dari siklon silinder, namun efisiensi untuksiklon persegi lebih tinggi dibandingkan siklon Lapple.Kata kunci: Siklon persegi, siklon silinder, dinamika fluida komputasi, efisiensi,dan penurunan tekanan.1. PendahuluanSiklon merupakan salah satu peralatan yang paling umum digunakanuntuk mengendalikan emisi debu dari aliran gas pada proses industri. Meskipunperkembangan rekayasa saat ini telah memungkinkan untuk mengaplikasikansiklon, misalnya sebagai pengering dan reaktor, namun aplikasi utama siklon tetappada bidang pengendalian pencemaran udara di mana efisiensi yang tinggiNovi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–122diperlukan untuk memenuhi peraturan yang diterapkan. Dibandingkan dengan alatpengendali polusi udara yang lain, siklon lebih disukai karena kesederhanaan daridesainnya, tidak mahal, biaya pemeliharaan rendah, dan kemampuan beradaptasiuntuk berbagai kondisi operasi seperti pada suhu dan tekanan tinggi. Meskipunsiklon sering digunakan sebagai tempat akhir pengumpulan di mana partikel yangberukuran besar ingin dipisahkan, siklon juga umum digunakan sebagai pra-pembersih  sebagai kolektor yang lebih efisien seperti elektrostatik presipitator,scrubber atau kain saringan (Swamee dkk, 2009).Siklon memiliki empat bagian utama yaitu; pemasukan (inlet), badansiklon, sistem pengeluaran debu, dan outlet, yang kesemuanya mempengaruhiefisiensi siklon. Prinsip pemisahan siklon cukup sederhana yaitu aliran campurangas-padatan diarahkan ke siklon melalui pemasukan di bagian atas. Badan siklonyang berbentuk silinder menyebabkan partikel berputar, sehingga mendorongpartikel bertabrakan dengan dinding silinder. Gas terus menyusuri badan siklonhingga ke bagian kerucut, yang memiliki kecepatan rotasi gas yang cukup untukmembuat partikel tetap bertabrakan dengan dinding siklon. Di bagian bawahkerucut, gas merubah arah dari bawah ke atas. Pusaran yang naik memasukitabung  disebut vortex finder dan keluar dari siklon. Sementara itu, kumpulanpartikulat jatuh ke dalam hopper, dimana secara berkala akan dipindahkan.Kinerja utama siklon dinilai dari efisiensi pengumpulan dan penurunantekanan. Terlepas dari desain dan operasi yang sederhana, namun perilaku alirandan dinamika partikel dalam siklon cukup rumit. Hal ini memerlukan modelmatematis yang efisien untuk memberikan prediksi yang akurat mengenaiefisiensi dan penurunan tekanan di dalam siklon baik untuk tujuan desain maupununtuk kebutuhan operasi siklon. Banyak peneliti telah mengembangkan model-model semi-empiris untuk memprediksi efisiensi pengumpulan dan penurunantekanan  dalam siklon. Leith (1990) meringkas sejumlah model ini, termasukyang dikembangkan oleh Stairmand (1951), Barth (1956), Lapple dan Shepherd(1939), Lapple (1951), Leith dan Licht (1972). Meskipun mayoritas modelempiris dikembangkan berdasarkan data eksperimen terhadap geometri siklontertentu, kesalahan substansial antara prediksi dan data yang diukur dalamNovi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–123efisiensi siklon adalah bukti karena penggunaan asumsi yang berbeda terhadapkondisi geometri. Sebagai konsekuensinya, penggunaan  model semi-empirismemiliki keterbatasan dalam memprediksi kinerja siklon. Karena itu, metodenumerik diusulkan untuk pemodelan medan aliran dan dinamika partikel dalamsiklon untuk tujuan memprediksi efisiensi pengumpulan dan penurunan tekanan.Setelah kajian pertama simulasi siklon secara numerik menggunakan teknikdinamika fluida komputasi (CFD) oleh Boysan (1982), mulai muncul sejumlahpenelitian secara numerik terhadap kinerja siklon. Elsayed dan Lacor (2010)mengoptimasi geometri siklon yang bertujuan untuk memperoleh penurunantekanan minimum menggunakan metoda tanggap permukaan. Merekamenggunakan model turbulensi Reynolds Stres untuk mewakili medan alir didalam siklon dan mendapatkan bahwa parameter geometris yang paling signifikanadalah diameter vortex finder, lebar bagian inlet, tinggi bagian inlet dan tinggitotal siklon.Hasil kajian kinerja berbagai model turbulensi terhadap prediksi medan alir,efisiensi pengumpulan dan penurunan tekanan memberikan jawaban modelturbulen yang sesuai untuk simulasi siklon Lapple dengan badan siklon berbentuksilinder (siklon silinder yang dilakukan oleh Wang dkk (2005) dilakukan olehNovi (2011) dalam tesis menunjukkan model turbulen RSM yang sangat sesuaiuntuk siklon. Namun hasil tersebut belum memberikan jawaban secara tuntas danmasih menjadi kajian bagi para peneliti untuk menjawab bagaimana pengaruhdesain bentuk dan parameter geometri siklon terhadap efisiensi pengumpulan danpenurunan tekanan. Untuk menjawab hal ini, penelitian ini akan menfokuskankepada modifikasi badan siklon dari silinder menjadi bentuk persegi karna selamaini siklon yang banyak digunakan di industri berbentuk silinder. Secara umumtujuan penelitian ini mengkaji kinerja siklon persegi secara Dinamikakomputasional Fluida ditinjau dari medan alir, efisiensi pengumpulan danpenurunan tekanan.Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–1242. Bahan dan MetodePenelitian ini Mengkaji kinerja siklon persegi secara Dinamikakomputasional Fluida ditinjau dari medan alir, efisiensi pengumpulan danpenurunan tekanan.Efisiensi pengumpulan pada umumnya merupakan perbandingan antaramassa debu yang terkumpul dan massa debu yang masuk siklon. Efisiensipengumpulan dipengaruhi oleh kdanungan padatan yang terkdanung pada gasyang masuk. Gambar 2.3 menunjukkan hubungan antara  efisiensi pengumpulandan kandungan padatan yang terkandung pada gas. Efisiensi pengumpulanmenurut Lapple (1951) dihitung menurut cut diameter. Cut diameter merupakandiameter partikel padatan yang mempunyai peluang 50% terkumpul pada bagianbawah siklon. Diameter partikel minimum yang bisa terkumpul oleh siklon secara(teoritis) ditunjukkan menurut persamaan 1.(1)dimana: = kecepatan masuk gas (m/s), = jumlah putaran gas dalam siklon(tergantung kecepatan gas masuk atau keluar) oleh Lapple diperkirakan = 5,= lebar inlet (m), = Densitas partikel padatan (kg/m3), = Densitas fluida(kg/m3), = viskositas fluida (kg/m.s), = cut diameter (μm)Dari Persamaan di atas tampak bahwa semakin besar lebar inlet maka semakinbesar sehingga partikel yang berukuran < akan mempunyai peluangterkumpul < 50%. Oleh karena itu, penambahan jumlah siklon dilakukan ketikakapasitas diperbesar, bukan memperbesar ukuran siklon. Memperbesar kapasitasdapat dilakukan dengan cara memperbanyak jumlah siklon dengan catatan bahwaukuran siklon tetap.Efisiensi  siklon untuk ukuran partikel tertentu dapat dihitung denganmembandingkan cut diameter dan diameter partikel. Gambar 1 menunjukkankurva efisiensi  versus/menurut Lapple (1951). Hubungan antara efisiensi totalsiklon dengan/dapat dihitung menggunakan persamaan 2 (Dullien, 1989).Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–125(2)dimana: = efisiensi pengumpulan (%), = cut diameter (μm) dan =diameter rata-rata (μm).EfisiensiPengumpulan(%)Gambar 1. Efisiensi siklon sebagai fungsi perbandingan ukuran partikel(Dullien, 1989).Penurunan Tekanan (Pressure Drop) merupakan parameter penting didalam evaluasi kinerja siklon. Penurunan tekanan terjadi disebabkan olehkontraksi aliran fluida yang keluar, expansi bagian masuk siklon, dan friksi padapermukaan dinding siklon. Pada umumnya penurunan tekanan sebanding dengankecepatan fluida masuk, seperti yang ditunjukkan dengan persamaan 3.(3)dimana: = densitas gas (kg/m3), = kecepatan fluida masuk (m/s), =penurunan tekanan (Pa). Sedangkan nilai ditentukan oleh Lapple (1951)menggunakan pada persamaan 4.(4)dimana : a= tinggi inlet siklon (m), b= lebar inlet siklon (m) dan = diameterkeluaran gas  dari siklon (μm).Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–126Total penurunan tekanan terdiri dari kehilangan tekanan pada inlet, outletdan badan siklon. Bagian utama penurunan tekanan terjadi pada bagian dalamsiklon yaitu sekitar 80% . Hal ini disebabkan oleh stress viskos pada aliranturbulen (Ogawa, 1984).  Sisanya 20% penurunan tekanan disebabkan olehkontraksi aliran fluida pada bagian outlet dan inlet. Dalam studi simulasi yangdilakukan Gimbun dkk (2004) menunjukkan perbedaan tekanan sebagai selisihantara  tekanan statik inlet dan outletGeometri dan Kondisi Batas SiklonGeometri dan kondisi batas siklon digambarkan menggunakan perangkatlunak Gambit. Dimensi geometri siklon yang dikaji merupakan model siklonpersegi menyesuaikan dengan data siklon silinder eksperimen yang digunakanWang dkk (2005) sebagai validasi. Geometri siklon yang akan digambarkanditunjukkan pada gambar 2 beserta perbandingan geometrinya pada tabel 1.Sementara data material yang digunakan tertera pada tabel 2.outletinletwallAsh hopperLCLHWHSBKeterangan Gambar:H =tinggi inlet siklon (m)W =lebar inlet siklon (m)B =diameter outlet debu keluar (m)a =diameter badan siklon (m)De = diameter outlet gas (m)Lh =Tinggi badan silinder siklon (m)Lc =Tinggi konis (m)S =Panjang saluran outlet siklon (m)Gambar 2 Geometri siklon persegiTabel 1 Geometri siklon yang digunakan (a=0.2 m) pada penelitianW/a H/a De/a S/a LH/a Lc/a B/a0.25 0.5 0.5 0.625 2.0 2.0 0.25Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–127Konfigurasi siklon kemudian digambarkan dalam bentuk geometri 3dimensi seperti yang ditunjukkan Gambar 1. Setelah membuat geometri, langkahberikutnya adalah melakukan pembagian objek menjadi bagian-bagian kecil ataumeshing. Meshing yang dilakukan disini diawali dengan mesh bidang (mesh face)tipe map setelah itu dilakukan mesh volume dengan tipe cooper dan heksahedral.Dari beberapa jenis elemen mesh volume, elemen heksahedral dan cooper lebihdisukai karena dapat mengurangi kesalahan diskritisasi dan mengurangi jumlahelemen. Bentuk geometri volume yang rumit harus dipisah-pisahkan menjadibentuk yang sederhana agar dapat dipakai mesh tersebut. Tipe elemen yangterdapat pada mesh  face  dan volume yang digunakan ditampilkan pada Gambar3.Gambar 3 Tipe mesh bidang dan mesh volume yang digunakanSetelah penggambaran geometri dan meshing kemudian dilakukanpendefinisian kondisi batas  Disini kondisi batas didefinisikan sebagai inlet,outlet, wall dan ash hopper, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (kiri).Semua data geometri dan meshing dari model siklon disimpan sebagai mesh ataugrid file agar dapat diekspor ke perangkat lunak FLUENT, sebagai tahapanPreprocessor. Bagan alir penelitian ditunjukkan pada Gambar 4 konfigurasisiklon kemudian digambarkan dalam bentuk geometri 3 dimensi seperti yangditunjukkan Gambar 2 (kanan).Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–128Tabel 2. Data material yang digunakanGambar 4 Bagan alir penelitian3. Hasil dan Diskusi3.1 Penurunan Tekanan Pada Siklon PersegiPenurunan tekanan yang terjadi pada siklon persegi semakin meningkat seiringmeningkatnya kecepatan inlet dan tekanan static dari siklon. Pada kecepatan inletv=10 m/s tekanan statik menduduki nilai terendah yaitu sebesar 4750 Pa,sementara pada kecepatan inlet v = 25 m/s tekanan static mengalami peningkatansecara signifikan yaitu sebesar 33278 Pa. Kontur tekanan statik dapat dilihat padagambar 5.Temperatur aliran udara 25 0 CMin. diameter partikel 5 µmMax.  diameter partikel 200 µmMean  diameter partikel 29.90 µmSpread parameter 0.806Densitas Abu 3320 kg/m3Densitas Udara 1,225kg/m3Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–129(a) (b)(c) (d)Gambar 5 Kontur Tekanan Statik pada berbagai kecepatan inlet (a) v= 10 m/s, (b)v=15 m/s, (c) v= 20m/s, (d) v= 25 m/s3.2 Efisiensi Siklon PersegiSiklon persegi memiliki efisiensi yang tinggi rata-rata 97% dibandingkansikon biasa dalam hal ini siklon lapple. Namun pada kenyataannya siklon persegimemiliki penurunan tekanan yang tinggi dibandingkan siklon lapple. Unjuk kerjadari siklon itu sendiri dilihat dari penurunan tekanan yang serendah-rendahnyadan efisiensi yang tinggi. Untuk itu perlu kajian kembali dalam mendesain badansiklon persegi ini. Di sinilah perlu tahapan optimasi dalam mendesain geometrisiklon guna mendapatkan unjuk kerja siklon persegi terbaik.Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–12103.3 Prediksi Medan alir dalam siklon persegiPada sub bab ini akan diprediksikan medan alir pada berbagai posisi siklonpersegi. Posisi prediksi di dalam siklon ditunjukkan pada Gambar 6, dimanaposisiz=0, z=0,1, z=0,2, dan z= 0,3 berada pada bagian konis siklon.Z=0Z=-0.1Z=-0.2Z=-0.3Z=-0.4Gambar 6 Posisi prediksi kecepatan aksial dan tangensial pada siklon persegiPrediksi kecepatan aksial pada berbagai posisi ditunjukkan pada gambar 7.Dari gambar 7 menjelaskan bahwa kecepatan aksial meningkat dari z= 0 sampaiz=0,2, sedangkan pada z = 0,3 kecepatan aksial menurun. Hal yang menarikadalah bahwa di dalam bagian konis ditunjukkan bahwa kecepatan axial sangatkecil, pada z =0,3 berarti gerakan fluida lebih cenderung ke bawah mendorongpartikel jatuh. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan aksial sama sekali tidakmemainkan peran di daerah z= 0,3.Prediksi kecepatan tangensial pada berbagai posisi ditunjukkan padagambar 8. Dari gambar 8 menjelaskan bahwa kecepatan tangensial menurun dariz= 0 sampai  z = 0,3. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan tangensial samasekali tidak memainkan peran di daerah z= 0,3. Kecepatan positif pada gambarNovi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–1211tersebut menunjukkan orientasi gerakan, artinya aliran menuju ke atas, sedangkantanda minus menyatakan gerakan yang berlawanan, yaitu ke bawah.-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10-4-3-2-1012345Kecepatan axial, m/sPosisi Radial, mGambar 7 Kecepatan aksial yang diprediksi pada empat posisi z=0, z =0,1,z= 0,2 dan z= 0,3 (garis = hasil prediksi; −·− z=0; − − z=0,1; − ·· − z=0,2;· · · ·z=0,3 )-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10012345Kecepatan Tangensial, m/sPosisi radial, mGambar 8. Kecepatan tangensial yang diprediksi pada empat posisi z=0, z=0,1, z= 0,2 dan z= 0,3(garis = hasil prediksi; −·− z=0; − − z=0,1; −··− z=0,2;·· · ·z=0,3)Novi Sylvia dan Yazid Bindar / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 3:2 (November 2014) 1–12124. Simpulan dan Saran1. Geometri siklon Lapple dan persegi ditinjau dari volume yang sama.2. Hasil simulasi numerik mendukung fakta eksperimen bahwa kecepatantangensial mendominasi medan alir di luar garis tengah siklon, sementarakecepatan aksial mendominasi medan alir di daerah garis tengah siklon.3. Secara numerik, nilai kecepatan aksial lebih kecil dari nilai kecepatantangensial, sehingga secara keseluruhan kecepatan tangensiallah yangmengendalikan medan alir di dalam siklon.4. Penurunan tekanan yang terjadi pada siklon persegi lebih tinggi dari siklonsilinder, namun efisiensi untuk siklon persegi lebih tinggi dibandingkansiklon Lapple.5. Daftar Pustaka1. Barth, W. (1956), Design and layout of the cyclone separator on the basis of newinvestigations. Brennstow-Waerme-Kraft, 8 :1–9.2. Boysan, F., Ayers, W.H., dan Swithenbank, J.A. (1982), Fundamentalmathematical modeling approach to cyclone design. Trans IChemE, 60: 222-230.3. Elsayed, Khairy., dan  Lacor, Chris. (2010), Optimization of the cycloneseparator geometry for minimum pressure drop using mathematical models andCFD simulations. Chemical Engineering Science, 65: 6048–6058.4. FLUENT 6.2.16, (2005), User’s Guide. FLUENT Incoparated.5. Griffiths, W.D dan Boysan F. (1996), Computational fluid dynamics (CFD) andempirical modelling of the Performance of a number of cyclone samplers. J.Aerosol Sci, 27: 281 -3046. Hoekstra, A. J., Derksen, J. J. dan Van den Akker, H. E. A. (1999), Anexperimental and numerical study of turbulent swirling fow in gascyclones.Chem Eng Sci, 54: 2055±2065.7. Lapple, C.E (1951),Process uses many collector types. Chem.Eng, 58:1148. Shepherd, C.B., dan Lapple, C.E. (1939), A Design Approach In Cyclones. Airpollution control, 2: 127-139.9. Wang, B., Xu, D.L., Xiao, G. X.,  dan Yu, A.B., (2005), Numerical study of gas-solid flow in a Siklon. Applied Mathematical Modelling, 30:1326-1342.

ANALISIS EFISIENSI DAN PENURUNAN TEKANAN PADA SIKLON PERSEGI MENGGUNAKAN CFD

https://ojs.unimal.ac.id/jtk/article/download/53/39

ANALISIS EFISIENSI DAN PENURUNAN TEKANAN PADA SIKLON PERSEGI MENGGUNAKAN CFD

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Open Journal Unimal (e-Jurnal Universitas Malikussaleh)