Sanling Cyclone [PDF]

Citation preview

METODOLOGI Cyclone Penentuan dimensi cyclone dilakukan dengan perhitungan beberapa nilai berdasarkan dimensi standard rancangan cyclone. Berikut adalah tabel dimensi standard rancangan cyclone.



Hubungan Q/Dc2 a/Dc b/Dc H/Dc h/Dc De/Dc B/Dc S/Dc ΔH



Tabel Dimensi standard rancangan cyclone Versi Lapple Swift Stairmand Swift Stairmand Swift Penggunaan Umum Efisiensi Tinggi Laju Aliran Tinggi Nilai 6,860 6,680 5,500 4,940 16,500 12,500 0.50 0.50 0.50 0.44 0.75 0.80 0.25 0.25 0.20 0.21 0.38 0.35 4.00 3.75 4.00 3.90 4.00 3.70 2.00 1.75 1.50 1.40 1.50 1.70 0.50 0.50 0.50 0.40 0.75 0.75 0.25 0.40 0.38 0.40 0.38 0.40 0.625 0.60 0.50 0.50 0.88 0.85 8.00 7.60 6.40 9.20 7.20 7.00



Dalam penelitian ini, penentuan dimensi cyclone dilakukan melalui pendekatan versi Swift Umum. Maka, perhitungan dimensi cyclone adalah sebagai berikut: Menghitung Dc √ Keterangan: Dc = diameter badan cyclone (m) Qawal = laju aliran volumetrik (m3/jam) 6680 = konstanta pada pendekatan Swift Umum Menghitung a



Menghitung b



Menghitung H



Menghitung h



Menghitung



Menghitung B



Menghitung S



Selanjutnya dilakukan perhitungan efisiensi cyclone dengan menggunakan 3 permodelan, yaitu Model Barth, Leith-Licht, dan Iozia-Leith. Model Barth Metode perhitungan efisiensi cyclone dengan menggunakan Model Barth adalah sebagai berikut: Menghitung ηi (



)



Keterangan: ηi = efisiensi partikel dari diameter Di vts = kecepaan akhir partikel (m/detik) vtsm= kecepatan akhir partikel dengan efisiensi 50% pada Model Barth (m/detik) Menghitung perbandingan vts/vtsm



Keterangan: hm = ketinggian sumbu/poros pusat (central axis) pada Model Barth (m) ρp = densitas partikel (kg/m3) vtmax = kecepatan maksimum tangensial gas (m/detik) Di = diameter patikel (m) μ = viskositas gas (kg/m.detik) Q = laju aliran volumetrik gas (m3/detik atau L/menit) Menghitung hm



Menghitung vtmax (



[



)



]



Keterangan: v0 = kecepatan gas pada outlet cyclone (m/detik) λ = koefisien friksi = 0.02 Menghitung v0



Menghitung α (



)



Model Leith-Licht Metode perhitungan efisiensi cyclone dengan menggunakan Model Leith-Licht adalah sebagai berikut: Menghitung ηi {



0



1



}



Keterangan: τi = waktu relaksasi (detik) n = vortex exponent G = parameter geometrik pada Model Leith-Licht Menghitung G , *(



)(



)+



-



Keterangan: Vnl,H = volume annular yang berhubungan dengan penetrasi vortex di dalam cyclone (m3) Menghitung Vnl atau VH Jika (H - S) > Zc 0 Jika (H - S) > Zc



(



).



/1



0



(



).



/1



Keterangan: Zc = ketinggian sumbu pusat cyclone (m) Dc = diameter sumbu pusat cyclone (m) Vnl = volume annular antara S dan titik akhir dari panjang vortex, tidak termasuk sumbu atau poros tengah (m3) VH = volume di bawah saluran outlet, tidak termasuk sumbu tengah/poros tengah (m3) Menghitung vs



⁄



(



)



2



⁄ ⁄



⁄



3



Keterangan: vs = kecepatan saltasi (m/detik) vi = kecepatan gas pada inlet cyclone (m/detik) Model Iozia-Leith Metode perhitungan efisiensi cyclone dengan menggunakan Model Iozia-Leith adalah sebagai berikut: Menghitung ηi 0



(



) 1



Keterangan: D50 = diameter partikel dengan efisiensi pengumpulan sebesar 50% (m) β = nilai eksponen dari diameter yang tereduksi menjadi D50 Menghitung D50 .



/



Menghitung perbandingan dc/Dc .



/



(



)



Menghitung Zc Untuk dc > B [ Untuk dc < B



(



)



] [(



)



]



Menghitung vtmax .



/(



)



(



)



Menghitung vi



Menghitung β .



/



0 .



/1



Korelasi Penurunan Tekanan Cyclone dan Penentuan Efisiensi Total Metode perhitungan penurunan tekanan cyclone dan penentuan efisiensi total adalah sebagai berikut: Menghitung .



/ .



.



/ /



Menghitung



Menghitung



Keterangan: Ef = efisiensi kipas Menghitung



Menghitung ∑ Menghitung



∑(



)



Menghitung ( )



HASIL DAN PEMBAHASAN Cyclone Dimensi Cyclone Dimensi cyclone dirancang dengan menggunakan nilai debit aliran udara masuk (Qawal) sebesar 1000m3/jam. Nilai Q tersebut digunakan untuk menentukan dimensi standard cyclone. Pada penelitian ini, penentuan dimensi standard cyclone dilakukan dengan menggunakan pendekatan versi Swift Umum. Berikut merupakan hasil perhitungan dimensi cyclone versi Swift Umum. Tabel Hasil Penentuan dimensi cyclone versi Swift Umum



Parameter Dc a b H h De B S



Dimensi (m) 0.387 0.193 0.097 1.451 0.677 0.193 0.155 0.232



Perhitungan Efisiensi Cyclone Perhitungan efisiensi cyclone dilakukan dengan menggunakan nilai densitas partikel (p) = 860 kg/m3), suhu (T) = 300 K, densitas udara = 1.18 kg/m3, dan viskositas () = 1.8 x 10-5 kg/m.detik. Selanjutnya, dilakukan perhitungan efisiensi cyclone dengan menggunakan masing-masing 3 kecepatan awal, yaitu vi sebesar 10, 15, dan 20 m/s menggunakan 3 permodelan, yaitu Model Barth, LeithLicht, dan Iozia-Leith. Model Barth



Model Barth memprediksikan total efisiensi sebagai fungsi dari hubungan antara kecepatan akhir partikel dengan diameter tertentu. Partikel memiliki probabilitas yang sama untuk dikumpulkan atau tidak dikumpulkan dengan efisiensi sebesar 50%. Perhitungan nilai efisiensi partikel dengan menggunakan nilai kecepatan awal vi sebesar 10 m/s dilakukan sebagai berikut: Laju aliran gas volumetrik dihitung menggunakan persamaan () ⁄



Kecepatan gas pada outlet cyclone (v0) dihitung menggunakan persamaan () ⁄



Nilai  diperoleh menggunakan persamaan () (



)



Nilai hm dihitung menggunakan persamaan ()



Nilai kecepatan tangensial maksimum (vtmax) dihitung menggunakan persamaan () ⁄



0



1



⁄ Nilai vts/vtsm dihitung dengan menggunakan persamaan () ⁄ ⁄ ⁄ ⁄



Selanjutnya juga dilakukan perhitungan Model Barth untuk dua variasi kecepatan yang lain, yaitu vi = 15 m/s dan vi = 20 m/s. Berikut merupakan hasil perhitungan Model Barth dengan 3 variasi kecepatan.



Variabel



Satuan



Tabel Hasil Perhitungan Model Barth Versi Swift Umum vi (m/s) 10 15



20



Q v0 α hm Vtmax Vts/Vtsm



(m3/s) m/s



0.187 6.369 0.7 1.090 12.189



M m/s



Nilai 0.281 9.554 0.7 1.090 18.283



0.374 12.739 0.7 1.090 24.377



Persamaan efisiensi cyclone menggunakan Model Barth pada tiga variasi kecepatan berturut-turut sebagai berikut: [



]



[



]



[



]



Nilai Di kemudian dimasukan ke dalam persamaan tersebut. Maka diperoleh nilai efisiensi untuk masing-masing ukuran partikulat dan efisiensi total. Berikut merupakan hasil perhitungan nilai efisiensi total dari cyclone menggunakan model Barth. Range (μm) 0-1 1-2 2-4 4-6 6-8 8 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50 50 - 60 60 - 70 70 - 80 80 - 90 90 - 100



Tabel Rekapitulasi efisiensi penyaringan partikel menggunakan Model Barth Di Di xi v = 10 m/s v = 15 m/s v = 20 m/s (μm) (m) (massa) ηi (%) ηi.xi ηi (%) ηi.xi ηi (%) ηi.xi 0.5 0.0000005 0.01 0 0.00 0 0.00 0 0.00 1.5 0.0000015 0.02 0 0.00 0 0.00 0 0.00 3.0 0.0000030 0.04 0 0.01 1 0.02 1 0.05 5.0 0.0000050 0.06 4 0.22 12 0.74 26 1.56 7.0 0.0000070 0.08 25 1.98 55 4.37 75 6.01 9.0 0.0000090 0.10 62 6.22 86 8.58 94 9.38 15.0 0.0000150 0.13 98 12.71 99 12.92 100 12.97 25.0 0.0000250 0.15 100 14.99 100 15.00 100 15.00 35.0 0.0000350 0.12 100 12.00 100 12.00 100 12.00 45.0 0.0000450 0.10 100 10.00 100 10.00 100 10.00 55.0 0.0000550 0.07 100 7.00 100 7.00 100 7.00 65.0 0.0000650 0.05 100 5.00 100 5.00 100 5.00 75.0 0.0000750 0.04 100 4.00 100 4.00 100 4.00 85.0 0.0000850 0.02 100 2.00 100 2.00 100 2.00 95.0 0.0000950 0.01 100 1.00 100 1.00 100 1.00 Jumlah 1.00 77.12 82.62 85.97



Dari tabel, diperoleh hasil akhir berupa efisiensi total untuk setiap kecepatan awal. Efisiensi total untuk kecepatan awal (vi) sebesar 10, 15, dan 10 m/s berturut-turut adalah sebesar 77.12, 82.62, dan 85.97%. Kemudian, hubungan antara efisiensi cyclone versi Swift Umum dengan menggunakan Model Barth terhadap distribusi partikel dapat dibuat dalam bentuk grafik seperti di bawah ini.



100



Efisiensi (%)



80 60 40 10 m/s 15 m/s



20



20 m/s 0 0



20



40 60 Diameter partikel (μm)



80



100



Gambar Hubungan efisiensi cyclone Model Barth versi Swift Umum terhadap distribusi partikel



Grafik pada gambar di atas memperlihatkan kenaikan efisiensi terhadap distribusi partikel yang cukup signifikan. Semakin tinggi kecepatan awal (vi), maka semakin tinggi juga efisiensi yang diperoleh. Pada ukuran partikel 0-4 μm, awalnya tidak terlihat peningkatan efisiensi. Namun, pada partikel yang berukuran lebih dari 4 μm, efisiensi mulai naik cukup signifikan hingga pada ukuran partikel yang lebih dari 20 μm, tingkat efisiensi cyclone stabil di 100%. Model Leith-Licht Model Leith-Licht didasarkan pada asumsi bahwa partikel yang tidak terkumpul dapat sepenuhnya tercampur dengan arah radial pada titik sumbu (axial point) karena pengaruh turbulensi. Oleh karena itu, waktu tinggal partikel dalam unit dikaitkan dengan waktu pergerakn partikel pada arah radial dan aksial untuk mencapai dinding cyclone. Perhitungan nilai efisiensi partikel dengan menggunakan nilai kecepatan awal vi sebesar 10 m/s dilakukan sebagai berikut: Ketinggian sumbu pusat cyclone (Zc) dihitung menggunakan persamaan () .



/



Nilai dc dihitung dengan menggunakan persamaan () (



)



Karena H-S  Zc, maka nilai Vnl dihitung dengan menggunakan persamaan ()



. .



/( /



.



) /



Nilai G dihitung dengan menggunakan persamaan () { [



(



)



]



}



Nilai n dihitung dengan menggunakan persamaan () 0



Nilai



(



)



1



dihitung dengan menggunakan persamaan ()



Selanjutnya juga dilakukan perhitungan Model Leith-Licht untuk dua variasi kecepatan yang lain, yaitu vi = 15 m/s dan vi = 20 m/s. Berikut merupakan hasil perhitungan Model Leith-Licht dengan 3 variasi kecepatan. Tabel Hasil Perhitungan Model Leith-Licht Versi Swift Umum vi (m/s) Variabel Satuan 10 15 20 Nilai Q (m3/s) 0.1871 0.2807 0.3743 Zc m 0.890 0.890 0.890 Dc m 0.253 0.253 0.253 Vnl m3 0.0625 0.0625 0.0625 Vh m3 G 381.5982 381.5982 381.5982 N 0.5793 0.5793 0.5793 τi 2,654,320.99 2,654,320.99 2,654,320.99 1/(2n+2) 0.317 0.317 0.317



Persamaan efisiensi cyclone menggunakan Model Leith-Licht pada tiga variasi kecepatan berturut-turut sebagai berikut: 2



[



]



3



2



[



]



3



2



[



]



3



Nilai Di kemudian dimasukan ke dalam persamaan tersebut. Maka diperoleh nilai efisiensi untuk masing-masing ukuran partikulat dan efisiensi total. Berikut merupakan hasil perhitungan nilai efisiensi total dari cyclone menggunakan model Leith-Licht. Tabel Rekapitulasi efisiensi penyaringan partikel menggunakan Model Leith-Licht Range Di Di xi v = 10 m/s v = 15 m/s v = 20 m/s (μm) (μm) (m) (massa) ηi (%) ηi.xi ηi (%) ηi.xi ηi (%) ηi.xi 0-1 0.5 0.0000005 0.01 22 0.22 24 0.24 26 0.26 1-2 1.5 0.0000015 0.02 39 0.77 43 0.85 46 0.91 2-4 3.0 0.0000030 0.04 53 2.12 58 2.31 61 2.44 4-6 5.0 0.0000050 0.06 65 3.89 70 4.17 73 4.37 6-8 7.0 0.0000070 0.08 73 5.81 77 6.16 80 6.40 8 - 10 9.0 0.0000090 0.10 78 7.81 82 8.22 85 8.49 10 - 20 15.0 0.0000150 0.13 88 11.40 91 11.80 93 12.05 20 - 30 25.0 0.0000250 0.15 94 14.17 96 14.44 97 14.59 30 - 40 35.0 0.0000350 0.12 97 11.67 98 11.80 99 11.86 40 - 50 45.0 0.0000450 0.10 99 9.85 99 9.92 99 9.95 50 - 60 55.0 0.0000550 0.07 99 6.94 100 6.97 100 6.98 60 - 70 65.0 0.0000650 0.05 100 4.98 100 4.99 100 4.99 70 - 80 75.0 0.0000750 0.04 100 3.99 100 3.99 100 4.00 80 - 90 85.0 0.0000850 0.02 100 2.00 100 2.00 100 2.00 90 - 100 95.0 0.0000950 0.01 100 1.00 100 1.00 100 1.00 Jumlah 1.00 86.62 88.87 90.30



Dari tabel, diperoleh hasil akhir berupa efisiensi total untuk setiap kecepatan awal. Efisiensi total untuk kecepatan awal (vi) sebesar 10, 15, dan 10 m/s berturut-turut adalah sebesar 86.62, 88.87, dan 90.30%. Kemudian, hubungan antara efisiensi cyclone versi Swift Umum dengan menggunakan Model LeithLicht terhadap distribusi partikel dapat dibuat dalam bentuk grafik seperti di bawah ini.



100



Efisiensi (%)



80 60 40 10 m/s 15 m/s



20



20 m/s 0 0



20



40 60 Diameter partikel (μm)



80



100



Gambar Hubungan efisiensi cyclone Model Leith-Licht versi Swift Umum terhadap distribusi partikel



Grafik pada gambar di atas memperlihatkan kenaikan efisiensi terhadap distribusi partikel yang cukup signifikan. Semakin tinggi kecepatan awal (vi), maka semakin tinggi juga efisiensi yang diperoleh. Pada ukuran partikel rendah, awalnya terlihat peningkatan efisiensi yang begitu signifikan. Hingga pada partikel yang berukuran lebih dari 40 μm, tingkat efisiensi cyclone mulai stabil di di 99-100%. Model Iozia-Leith Model Iozia-Leith merupakan modifikasi dari Model Barth untuk memprediksi diameter dan panjang sumbu pusat (central axis) cyclone, kecepatan tangensial maksimum, dan variabel-variabel pada dimensi alat, berdasarkan pada 26 percobaan pada suhu ambien. Korelasi yang diusulkan untuk efisiensi pengumpulan partikel partikulat berdasarkan pada diameter partikel dari Rumus Stoke saat diameter partikel dengan kecepatan akhir sama. Perhitungan nilai efisiensi partikel dengan menggunakan nilai kecepatan awal vi sebesar 10 m/s dilakukan sebagai berikut: Diameter sumbu pusat cyclone (dc) dihitung menggunakan persamaan () (



)



(



)



Karena dc > B, maka nilai Zc dihitung dengan menggunakan persamaan () 0



⁄



1[



Nilai Vtmax dihitung dengan menggunakan persamaan ()



]



(



)



(



)



(



)



⁄



Nilai D50 dihitung dengan menggunakan persamaan () .



/



Nilai  dihitung dengan menggunakan persamaan () ( [



(



)



)]



Selanjutnya juga dilakukan perhitungan Model Iozia-Leith untuk dua variasi kecepatan yang lain, yaitu vi = 15 m/s dan vi = 20 m/s. Berikut merupakan hasil perhitungan Model Iozia-Leith dengan 3 variasi kecepatan.



Variabel Q Dc Zc Vtmax D50 D50 β



Tabel Hasil Perhitungan Model Iozia-Leith Versi Swift Umum vi (m/s) Satuan 10 15 20 Nilai (m3/s) 0.187 0.281 0.374 m 0.116 0.116 0.116 m 1.348 1.348 1.348 m/s 18.526 27.789 37.052 m 4.925 x 10-6 3.284 x 10-6 2.463 x 10-6 µm 4.925 3.284 2.463 2.592 3.688 4.737



Persamaan efisiensi cyclone menggunakan Model Iozia-Leith pada tiga variasi kecepatan berturut-turut sebagai berikut:



(



)



(



)



(



)



Nilai Di kemudian dimasukan ke dalam persamaan tersebut. Maka diperoleh nilai efisiensi untuk masing-masing ukuran partikulat dan efisiensi total. Berikut



merupakan hasil perhitungan nilai efisiensi total dari cyclone menggunakan model Iozia-Leith. Tabel Rekapitulasi efisiensi penyaringan partikel menggunakan Model Iozia-Leith Range Di Di xi v = 10 m/s v = 15 m/s v = 20 m/s (μm) (μm) (m) (massa) ηi (%) ηi.xi ηi (%) ηi.xi ηi (%) ηi.xi 0-1 0.5 0.0000005 0.01 0 0.00 1 0.01 2 0.02 1-2 1.5 0.0000015 0.02 4 0.09 12 0.23 22 0.43 2-4 3.0 0.0000030 0.04 22 0.87 44 1.77 63 2.50 4-6 5.0 0.0000050 0.06 51 3.06 75 4.49 86 5.17 6-8 7.0 0.0000070 0.08 71 5.71 88 7.01 94 7.50 8 - 10 9.0 0.0000090 0.10 83 8.27 93 9.32 97 9.66 10 - 20 15.0 0.0000150 0.13 95 12.31 98 12.75 99 12.88 20 - 30 25.0 0.0000250 0.15 99 14.78 99 14.92 100 14.96 30 - 40 35.0 0.0000350 0.12 99 11.93 100 11.97 100 11.99 40 - 50 45.0 0.0000450 0.10 100 9.97 100 9.99 100 9.99 50 - 60 55.0 0.0000550 0.07 100 6.99 100 7.00 100 7.00 60 - 70 65.0 0.0000650 0.05 100 4.99 100 5.00 100 5.00 70 - 80 75.0 0.0000750 0.04 100 4.00 100 4.00 100 4.00 80 - 90 85.0 0.0000850 0.02 100 2.00 100 2.00 100 2.00 90 - 100 95.0 0.0000950 0.01 100 1.00 100 1.00 100 1.00 Jumlah 1.00 85.95 91.46 94.11



Dari tabel, diperoleh hasil akhir berupa efisiensi total untuk setiap kecepatan awal. Efisiensi total untuk kecepatan awal (vi) sebesar 10, 15, dan 10 m/s berturut-turut adalah sebesar 85.95, 91.46, dan 94.11%. Kemudian, hubungan antara efisiensi cyclone versi Swift Umum dengan menggunakan Model IoziaLeith terhadap distribusi partikel dapat dibuat dalam bentuk grafik seperti di bawah ini. 100



Efisiensi (%)



80 60 40 10 m/s 15 m/s



20



20 m/s 0 0



20



40 60 80 100 Diameter partikel (μm) Gambar Hubungan efisiensi cyclone Model Iozia-Leith versi Swift Umum terhadap distribusi partikel



Grafik pada gambar di atas memperlihatkan kenaikan efisiensi terhadap distribusi partikel yang cukup signifikan. Semakin tinggi kecepatan awal (vi),



maka semakin tinggi juga efisiensi yang diperoleh. Pada ukuran partikel 0-8 μm, awalnya terlihat peningkatan efisiensi yang begitu signifikan. Hingga pada partikel yang berukuran lebih dari 20 μm, tingkat efisiensi cyclone stabil mendekati dan mencapai puncaknya di 100%.