V. HASIL PEKERJAN
5.11. Desain Tungku Fluidized Bed 1. Penentuan karakteristik umpan
5.11.2. Parameter fluidisasi udara
Parameter fluidisasi bergantung pada karakteristik pasir dan model porositas yang akan kita gunakan. Dalam kasus ini, ukuran dan karakteristik pasir yang digunakan adalah disesuaikan dengan jenis pasir silika yang tersedia dipasar. Secara harafiah faktor porositas berpengaruh terhadap kemudahan udara untuk melewati partikel, memberi dorongan keatas dan memfluidisasi bed.Selain itu diameter dan bentuk partikel juga berpengaruh terhadap kemudahan bed untuk terfluidisasi. Partikel yang ideal untuk fluidized bed adalah partikel yang cukup bulat sehingga mengurangi efek interlock antar partikel pasir yang berimbas pada semakin besarnya pressure drop yang dibutuhkan. Selain itu partikel harus berukuran cukup kecil sehingga kebutuhan pressure drop dapat diminimalisir namun cukup besar untuk mencegah partikel pasir menyusup ke dalam lubang nozzle. Detail dari karakteristik bed dan parameter dijabarkan pada (Tabel 5.16) berikut ini :
Tabel 5.16 Parameter fludisasi
Simbol Parameter Nilai Unit Keterangan
dp Diameter rata-rata partikel 5.00E-04 m Ukuran diameter pasir/katalis
ρp Densitas partikel 2560 kg/m3 Densitas pasir silika ρf Densitas udara pada T 4o P
1 atm tertentu [oksigen 21%]
1.2658 kg/m3 Densitas udara
pada T = 900 dan P= 4 atm
g Gravitasi 9.8 m/s2
e Porositas partikel/fraksi void 0.449836387
f Sphericity 0.78 (bulat = 1) Faktor morfologi
pasir m Viskositas udara pada T
tertentu
1.93E-05 N-s/m2 Viskositas udara yang dihitung pd T 40 P 1 atm
h Faktor gravitasi 2.51E+04 Faktor gravitasi
Umf Minimum fluidisasi 0.22 m/s kecepatan gas
minimum untuk fluidisasi
21.75 cm/s
Uo Fluidisasi operational 0.652412004 m/s kecepatan gas operasional u = 3umf untuk fluidisasi
65.24120044 cm/s
Ut Fluidisasi terminal 4.03 m/s kecepatan gas
maksimal agar partikel tidak terlempar ke siklon
5.11.2.1. Menentukan kecepatan fluidisasi minimal dan terminal
Kecepatan fluidisasi minimal adalah kecepatan minimal udara dimana gaya dorong udara ke atas sama dengan berat padatan. Persamaan ini diekspresikan oleh persamaan Ergun yang biasanya dikombinasikan dengan notasi mekanika fluida untuk mendapatkan nilai fluidisasi minimal µmf Kecepatan fluidisasi terminal adalah kecepatan gas yang melebihi kecepatan jatuh bebas sebuah partikel. Secara harafiah jika sebuah partikel terangkat dan terbang terbawa gas, maka dapat dikatakan bahwa partikel tersebut mendekati kecepatan terminal fluidisasi. Dengan mengggunakan model Kunii Levenspiel maka didapatkan Ut = 4.03 m/s. Uop adalah kecepatan udara operasional, dalam desain ini digunakan µop = 3 µmf
5.11.2.2. Menentukan fraksi void .
Model yang digunakan untuk menghitung fraksi solid pada saat terjadi fluidisasi minimal adalah model Wen Yu. Dengan nilai kebulatan partikel ε yang diasumsikan 0.78 maka didapatkan εmf = 0.449. Fraksi solid merepresentasikan distribusi daerah yang terisi oleh partikel pasir didalam bed. Nilai εmf = 0.449 menggambarkan distribusi volume bed
dimana 45% dari total volume terisi oleh partikel dan sisanya 55% terisi oleh udara. Semakin besar ukuran partikel maka nilai dari εmf diprediksi semakin kecil. Nilai εmf
biasanya diantara 0.40 hingga 0.50.Jika distribusi ukuran partikel terlalu besar maka nilai εmf
5.11.2.3. Menentukan debit udara
menjadi terlalu kecil karena partikel kecil dapat mengisi ruang kosong diantara partikel besar.
Debit udara input kedalam reaktor didapatkan dengan mengalikan kecepatan udara operasional µop terhadap luas penampang reaktor. Untuk luas penampang reaktor 0.101 m2 maka debit udara adalah 0.066 m3
5.11.2.4. Menentukan kapasitas umpan batubara /detik.
Diketahui bahwa kebutuhan udara untuk pembakaran sempurna 100 kg batubara adalah adalah 0.145 m3/detik sementara hasil perhitungan debit udara dengan µop
5.11.2.5. Menentukan pressure drop
= 0.65 m/detik maka debit udara yang tersedia hanya 0.066 m3/detik. Sebagai konsekuensi dari kurangnya debit udara maka kapasitas batubara berkurang dari 100 kg/jam menjadi hanya 45.78 kg/jam. Perhitungan kapasitas batubara didapatkan dengan perbandingan langsung dari debit udara.
Pressure drop yang diperhitungkan dalam desain reaktor adalah pressure drop dari desain distributor plate dan pressure drop dari bed. Pressure drop pada bed berbanding lurus dengan gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat pasir pada ketinggian fluidisasi minimal Hmf (lihat persamaan 5). Tinggi Hmf yang digunakan adalah setengah kali diameter reaktor, yaitu 0.18 m. Dengan menggunakan nilai prediksi εmf = 0.449 maka didapatkan pressure drop pada bed δPB = 2.48 kPa. Untuk desain distributor plate tipe nipple plate, pressure drop pada distributor plate (δPdp) biasanya 0.3 dari pressure pada bed δPB ,yaitu 0.745 kPa. Pressure drop total δPT = δPB + δPDP
5.11.2.6. Menentukan dimensi, jumlah orifice dan kecepatan udara pada orifice = 3.23 kPa. Nilai ini masih memenuhi kriteria teknis karena masih dalam batas kapasitas blower yang ada dipasaran, yaitu 14 kPa.
Kecepatan gas pada orifice dipengaruhi oleh besarnya tahanan aliran yang berbanding lurus dengan besarnya pressure drop. Pada distributor plate tipe nozzle, maka kecepatan
orifice Uor juga dipengaruhi oleh perbandingan antara diameter inlet dan diameter outlet. Dengan menggunakan persamaan 6 dibawah ini dan asumsi koefisien drag Zenz = 0.8 maka didapatkan kecepatan gas orifice adalah 124 m/detik.
Penentuan diameter orifice bergantung dari ukuran diameter partikel bed yang kita gunakan. Ukuran diameter exit port biasanya 3 – 8 kali ukuran diameter partikel. Ukuran partikel yang lebih kecil akan memberikan efek transfer panas dan massa yang lebih baik karena luas permukaan yang lebih besar. Namun biasanya diameter bed yang terlalu kecil tidak disarankan karena alasan kepraktisan pada proses pemesinan diameter orifice. Diameter orifice adalah 17 mm seperti yang terlihat pada (Gambar 5.49). Data detail
dimensi dan perhitungan jumlah nozzle dipaparkan
pada (Tabel 5.17).
Gambar 5.49 Dimensi nozzle
Tabel 5.17 Detail perhitungan dimensi dan jumlah nozzle Diameter exit port dari nozzle
[d-ep] = 3-8 diameter partikel
0.0040 m
Jumlah orifice = n = jumlah inlet 4 Unit
Diameter gas inlet [d-i] aktual 0.0170 m
Diameter gas inlet [d-i] teoritik 0.0080 m
Kecepatan gas pada nozzle Uor 123.96986840 m/s
Jumlah nozzle per meter persegi Nn
104.7505 unit
dibulatkan Nn
Kecepatan gas inlet pada orifice Uj
27.4535 m/s
Jarak antar nozzle/orifice spacing :
For triangular pitch P 0.104993634 m
For square pitch P 0.097706153 m
Tinggi nozzle h 0.070823569 m
Kemiringan nozzle cap = 45 [standar]
5.11.2.7. Menghitung dimensi plenum chamber Dengan menggunakan asumsi µop = 3 µmf
Tabel 5.18 Dimensi nozzle dan plenum chamber
, diameter reaktor = 0.36 m dan dimensi nozzle yang telah dihitung maka didapatkan dimensi plenum chamber seperti yang tertera pada tabel 5.18 berikut ini.
Simbol Keterangan Nilai
D noz diameter nozzle yang tersedia [4 inch]
0.1016 m
L Luas reaktor (diameter 0.36 m) 0.101736 m2
D diameter plenum 0.76 m
V noz kecepatan nozzle [asumsi] 2 m/s
r densitas udara 0 kg/m3
Gambar 5.50 Desain plenum chamber dengan inlet udara vertical
5.11.2.8. Menentukan debit udara pada plenum chamber
Debit udara Q2 yang digunakan pada perhitungan diatas adalah debit udara pada kondisi tekanan dan suhu kamar. Pada saat reaktor beroperasi maka akan terjadi kenaikan suhu yang signifikan pada plenum chamber karena perpindahan panas secara konduksi dari bed ke distributor plate. Q3 adalah debit udara yang memperhitungkan ekspansi termal udara karena adanya kenaikan suhu pada plenum chamber. Dengan menggunakan perbandingan langsung persamaan gas ideal PV = nRT, maka didapatkan Q3 = 0.07 m3/detik (T = 50o C) jika Q2 = 0.06 m3/detik (T = 30o
5.11.2.9. Menentukan debit udara pada reaktor C).
Ketika suhu dalam reaktor mencapai 600o C - 900o C maka terjadi reaksi gasifikasi antara batubara dan udara yang menghasilkan producer gas. Reaksi gasifikasi menyebabkan terjadinya peningkatan volume udara dalam reaktor yang berdampak pada peningkatan debit udara. Berdasarkan hasil penelitian dan pengalaman praktis yang telah dilakukan Tekmira sebelumnya dapat disimpulkan bahwa debit udara hasil gasifikasi hampir 2 kali debit udara masuk pada suhu dan tekanan normal, yaitu debit plenum chamber Q2. Debit reaktor Qr adalah debit udara yang memperhitungkan ekspansi termal pada saat suhu udara sama dengan suhu reaktor gasifikasi, yaitu pada suhu 600oC. Jika debit udara inlet dari plenum chamber adalah Q3 = 0.07, debit reaktor adalah Qr = 2 x Q2 dan debit udara hasil gasifikasi adalah Qg maka Q4 = Qr + Qg = 0.182 m3/detik.
5.11.2.10 Evaluasi kecepatan udara operasional Uop, pressure drop dan kecepatan
superficial
Langkah selanjutnya adalah evaluasi gradien pressure drop P terhadap kecepatan udara operasional Uop = 3 Umf. Kemiringan yang curam mengindikasikan bahwa pada kecepatan gas yang dipilih terjadi perubahan pressure drop yang signifikan sehingga terjadi fluidisasi dengan stabil. Tujuan dari evaluasi gradien ini adalah untuk mencari kecepatan gas superficial agar menghasilkan fluidisasi yang stabil. Semakin tinggi gradien maka semakin stabil efek fluidisasi yang dihasilkan namun semakin besar kapasitas blower yang dibutuhkan.
Langkah pertama adalah dengan mengambil secara acak kecepatan gas U yang berada pada rentang kecepatan gas minimal fluidisasi Umf dan Uop. Buatlah grafik U terhadap pressure drop P dimana Umf < U < Uop lalu tarik garis lurus pada titik balik dimana terjadi perubahan gradien. Jika Umf = 0.21 m/detik dan Uop = 3 x Umf = 0.65 m/detik maka kita akan mendapatkan profil pressure drop seperti yang tertera pada (Gambar 5.51)
Dari gambar 5.51 dapat ditarik kesimpulan secara visual bahwa perubahan gradien terjadi pada 2 zona. Pada saat Uop = 3 – 4 m/detik terjadi perubahan gradien yang cukup signifikan. Karena kecepatan gas operasional Uop yang kita gunakan sebelumnya adalah Uop pada suhu dan tekanan normal, maka langkah selanjutnya adalah mengkalibrasi perhitungan kecepatan gas menjadi Uop pada saat suhu mencapai 900o C. Jika Uop pada suhu 30oC adalah 0.6 m/detik maka pada suhu 900o C Uop dapat mencapai 2.52 m/detik, dimana nilainya mendekati Uop pada kurva gambar 5.51. Hal ini mengindikasikan bahwa kecepatan gas superficial lebih cepat 3.87 kali pada saat terjadi reaksi gasifikasi dibandingkan dengan pada saat penyalaan awal. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa kecepatan gas Uop = 3 x Umf adalah memenuhi kriteria teknis untuk mendapatkan fluidisasi yang stabil.
Gambar 5.51 Evaluasi kecepatan gas operasional Uop terhadap pressure drop P 5.11.3. Kuantitas Solid dan Gelembung
Jumlah solid Ws ditentukan oleh persamaan 8 dibawah ini, dimana P adalah massa jenis katalis, A adalah luas permukaan katalis, h adalah tinggi pasir dan
ε
mf adalah fraksi padatan.Luas dari penampang reaktor berdiameter 0.36 m adalah 0.101 m2
5.11.3.1. Menghitung diameter gelembung minimum, maksimum dan rata-rata dengan asumsi tinggi fluidisasi minimal adalah setengah dari diameter, yaitu 0.18m.
Diameter gelembung maksimum mempengaruhi kestabilan fluidisasi. Ketika debit gas ditingkatkan melebihi batas minimum fluidisasi maka kecepatan gelembung gas akan meningkat dengan cepat dan pecah di permukaan. Gelembung terbentuk tepat diatas permukaan nozzle atau pori-pori pada distributor plate sehingga desain dari distributor plate sangat menentukan karakteristik fluidized bed. Untuk mencegah terjadinya slugging
atau fenomena pecahnya gelembung karena ukurannya terlalu besar, maka harus dipastikan bahwa ukuran dbm lebih kecil daripada diameter reaktor. Dengan memasukan parameter µo dan µmf pada tabel 2 maka didapatkan dbm = 5.59 cm. Karena nilai dbm masih lebih kecil daripada diameter reaktor d = 36 cm, maka perancangan dimensi reaktor dan nilai µ masih dapat diterima.
Diameter gelembung minimum untuk tipe porous plate (nozzle) dbo adalah 0.07 cm yang didapatkan dengan menggunakan
Jika h = 0.18 m adalah ketinggian puncak bed saat belum berekspansi maka diameter rata-rata gelembung pada saat mencapai puncak adalah 3.59 cm. Sementara pada h = 0.09 m atau pada ketinggian setengah dari bed maka diameter rata-rata gelembung adalah 2.28 cm.
Penentuan ukuran gelembung rata-rata pada saat posisinya berada ditengah bed adalah untuk menentukan kecepatan gelembung menuju permukaan. Dengan asumsi bahwa tinggi bed akan mengalami ekspansi 40-50% dari ketinggian bed, atau sekitar 0.27m saat beroperasi. Oleh karena itu menurut model Kunii Levenspiel, ukuran rata-rata gelembung diambil pada saat h = 0.135m yaitu pada saat ketinggian setengah dari diameter bed yang berekspansi.
5.11.3.2. Menghitung kecepatan gelembung Didapatkan kecepatan gelembung µb = 4 m/detik.
5.11.3.3. Menghitung fraksi volume gelembung
Langkah selanjutnya adalah menghitung fraksi volume gelembung karena pada saat gelembung terbentuk maka volume bed akan mengalami ekspansi. bahwa fraksi volume gelembung dipengaruhi oleh karakteristik bentuk dari pasir dan kecepatan gas. Koefisien α didapat dengan cara menarik garis ekstrapolasi (Gambar 5.52) ukuran partikel mengikuti garis linier dari karakteristik pasir irreguler. Dari skema diatas didapatkan bahwa untuk partikel pasir berukuran 500 µm, didapatkan nilai α = 0.27. Dengan menggunakan persamaan 13 maka didapatkan δ = 0.118. Dari hasil perhitungan ini maka didapatkan kesimpulan bahwa akan terbentuk kira-kira 12% gelembung dan 88% bed berupa emulsi udara-pasir sehingga desain ini dapat diterima.
Gambar 5.52 Menentukan koefisien α
5.11.3.4. Menghitung kuantitas solid yang dapat terangkat
Tidak ada korelasi langsung antara penentuan kuantitas pasir yang dimasukkan ke dalam bed dengan penentuan kestabilan gelembung seperti yang dipaparkan diatas. Dengan menggunakan persamaan 8 seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa untuk h = 0.18 m dan fraksi solid εmf = 0.45, maka kuantitas solid adalah 26 kg.