Pemilihan sistem kontrol terbaik
II.2 SUB POKOK BAHASAN PENGENDALIAN KERING
2.1 Pendahuluan
2.1.1. Deskripsi Singkat
Sub pokok bahasan ini menjelaskan tentang jenis-jenis alat pengendali dimulai dari yang sederhana seperti settling chamber hingga yang rumit dan mahal seperti Electrostatic Presipitator. Untuk tiap alat pengendali akan dijelaskan prinsip kerja dan dilengkapi dengan keuntungan dan kerugian serta peruntukannya.
2.1.2. Relevansi
Dengan mendalami aspek pengendalian kering ini maka diharapkan tingkat pemenuhan terhadap baku mutu akan terjadi sehingga dampak kesehatan yang muncul dapat diminimalisasi. Dalam prinsip perancangan alat ini, maka konsep mikro meteorologi di pokok bahasan III perlu dibuka kembali.
2.1.3.1 Standar Kompetensi
Dengan diberikannya prinsip-prinsip dasar pengetahuan tentang teknik pengendalian kering ini maka diharapkan mahasiswa memperoleh standar kompetensi dalam sikap dan perilaku berkarya melalui tugas individu inventarisasi peralatan pengendali kering di dunia invdustri, diskusi kelompok tentang prinsip kerja alat pengendali.
2.1.3.2. Kompetensi Dasar
Setelah menyelesaikan perkuliahan ini, mahasiswa akan mampu menjelaskan prinsip kerja alat pengendalian kering pencemaran udara.
2.2. Penyajian
2.2.1. Uraian
SETTLING CHAMBER ( bak pengendap )
Pertama kali dipakai, efisiensi rendah. Sekarang sering dipakai sebagai pre-treatment untuk menghilangkan partikel ukuran besar.
Gambar 5.3 Settling Chamber
Mekanisme : gaya gravitasi dan gaya inersia, jenis : settling chamber sederhana dan settling chamber Howard ( ada penambahan pelat-pelat )
Efisiensi teoritis dan setelah diperhitungkan dengan hukum Stokes :
L, B, H didesain untuk semua partikel yang lebih besar daripada dp*
g : percepatan gravitasi dp : diameter partikel rp : densitas partikel r :densitas gas m : viscositas gas K : faktor cunningham
Cyclone
Cyclone adalah suatu jenis alat pengumpul debu mekanik yang digunakan untuk menciptakan aliran berputar (vortex) untuk mengalirkan partikel ke area dimana partikel tadi akan mengalami kehilangan energi dan terpisah dari aliran gas (Mycock, 1995).
Input berupa gas dan partikulat dipercepat dengan gerakan spiral, dimana partikel ukuran besar terlempar ke luar gas dan bertubrukan dengan dinding cyclone oleh gaya sentrifugal dan turun ke kerucut cyclone untuk ditangkap oleh hopper. Sedangkan gas yang bersih mengalir keluar melalui stack (Cornwell, 1998). Cyclone memiliki efisiensi yang rendah untuk partikel berukuran kecil dan efisiensi tinggi untuk ukuran partikel berukuran besar 5-15µm. Alat ini dapat diopeasikan dalam kondisi basah (melalui injeksi air di inlet) atau kering. Semakin tinggi velocity gas, maka removal efisiensinya juga semakin besar (Bethea, 1978).
Kelebihan dan Kekurangan Cyclone: Kelebihan (Cooper & Aley, 1986): Modal awal rendah.
Mampu beroperasi pada temperatur tinggi. Biaya pemeliharaan rendah.
Kekurangan (Cooper & Aley, 1986):
Efisiensi rendah untuk partikel berukuran kecil.
Biaya operasi yang tinggi sebab terjadi kehilangan tekanan.
Tipe-tipe Cyclone
Berdasarkan efisiensi, selain cyclone conventional cyclone dibagi atas (Cooper & Alley, 1994):
1. High-efficiency Cyclone
Kecepatan gas inlet lebih tinggi dengan demikian memberi gaya sentrifugal yang lebih tinggi.
2. High-throughput Cyclone
Biasanya mempunyai diameter yang lebih besar dan menangani kecepatan yang lebih tinggi.
Tabel 5.1 Standar Dimensi Cyclone Tipe Cyclone High Efficiency Conventional High Throughout Diameter bodi, D/D 1,0 1,0 1,0 Tnggi inlet, H/D 0,5 0,5 0,75 Lebar inlet, W/D 0,2 0,25 0,375
Diameter gas keluar De/D
0,5 0,5 0,75
Panjang vortex, S/D 0,5 0,625 0,875
Panjang bodi, Lb/D 1,5 2,0 1,5
Panjang kerucut, Lc/D 2,5 2,0 2,5
Diameter outlet debu Dd/D
0,375 0,25 0,375
Sumber: Cooper & Alley, 1986.
Fabric filter/ Baghouses
Fabric filter menyisihkan debu dari aliran gas dengan melewatkannya melalui fabric berpori. Partikel debu membentuk pori-pori lebih atau kurang melekat pada permukaan fabric. Normalnya lapisan ini yang melakukan filtrasi.
(1) (2) Keterangan :
(1) : Bag Filter Tekanan Positif (2) : Bag Filter Tekanan Negatif
Gambar 5.5 Bag Filter Tekanan Positif dan Negatif
Sumber : Beachler, et.al., 1995
Gambar 5.6 Mekanisme Filtrasi Dust Cake
Sumber : Anonim, 2005
Fabric Filter atau baghouse beroperasi dengan prinsip seperti vacuum cleaner, yakni udara pembawa partikel debu didorong ke dalam suatu cloth bag. Saat udara melewati fabric, debu akan terakumulasi pada cloth dan menghasilkan suatu aliran
udara bersih. Debu secara periodik disisihkan dari cloth dengan guncangan atau menggunakan aliran udara terbalik. Fabric Filter terbatas untuk kondisi dengan temperatur rendah dan kering, tetapi dapat digunakan untuk berbagai jenis debu dan mempunyai efisiensi yang cukup tinggi.
Kelebihan dan Kekurangan Fabric filter/ Baghouses 1. Kelebihan Fabric Filter (Cooper & Alley, 1994):
a. Efisiensi pengumpulan sangat tinggi meskipun untuk partikel yang sangat kecil.
b. Dapat beroperasi untuk berbagai tipe debu.
c. Didesain berbentuk modul, dan modul-modul tersebut dapat dirangkai di pabrik.
d. Dapat beroperasi pada aliran volumetrik dengan skala luas. e. Memerlukan penurunan tekanan rendah yang masuk akal. 2. Kekurangan Fabric Filter (Cooper & Alley, 1994):
a. Memerlukan areal yang luas.
b. Fabric dapat dirusak oleh temperatur tinggi dan korosi akibat bahan kimia.
c. Tidak dapat beroperasi pada lingkungan yang lembab; fabric dapat menjadi lengket.
d. Berpotensi menimbulkan kebakaran atau ledakan.
Cara membersihkan debu dari fabric adalah faktor penting dalam kinerja sistem fabric filter. Jika debu tidak dibersihkan dengan baik, penurunan tekanan di sepanjang sistem akan meningkat hingga jumlah yang melebihi batas. Jika terlalu banyak lapisan yang hilang, kebocoran debu yang berlebihan akan timbul ketika dihasilkan lapisan baru. Seleksi parameter desain sangat penting untuk memperoleh kinerja optimum dari sistem fabric filter.
Sistem fabric filter seringkali disebut sebagai baghouse, karena fabric biasanya dibuat dalam bag silinder. Desain baghouse yang paling umum adalah tipe reverse-air dan pulse-jet. Nama ini mendeskripsikan sistem pembersihan yang digunakan dalam sistem.
Reverse-air baghouse beroperasi dengan mengalirkan gas kotor ke dalam bag-bag; dengan begitu, pengumpulan debu terjadi di bagian dalam bag. Bag-bag dibersihkan secara periodik dengan membalik arah aliran udara, sehingga lapisan debu yang terkumpul sebelumnya jatuh dari bag ke dalam hopper di bawah. Karena prosedur pembersihan dilakukan dengan kecepatan gas yang relatif rendah, fabric terlindungi dari pergerakan yang berbahaya, sehingga teknik pembersihan reverse-air menghasilkan masa pemakaian bag maksimum. Variasi desain reverse-air baghouse dan pelopor reverse-air baghouse (misal, shaker baghouse), bag digoncangkan selama interval pembersihan reverse-air (Buonicore dan Davis, 1992).
Pulse-jet baghouse didesain dengan struktur rangka dalam, disebut cage, yang memungkinkan pengumpulan debu pada bagian luar bag. Lapisan debu dibersihkan secara periodik oleh semburan jet udara yang tertekan ke dalam bag menyebabkan bag mengembang tiba-tiba; debu dibersihkan oleh tenaga inersia ketika bag mengembang hingga maksimum. Teknik pembersihan bag ini cukup efektif, namun kehebatan teknik ini dan kadang-kadang pemasangan bag-to-cage yang pas cenderung membatasi waktu pemakaian bag dan juga meningkatkan migrasi debu keluar dari fabric, sehingga mengurangi efisiensi pengumpulan debu. Seleksi material serat dan konstruksi fabric penting untuk kinerja baghouse. Material serat harus memiliki karakteristik kekuatan yang cukup dan kesesuaian kimia dengan gas dan debu yang ditangkap. Konstruksi fabric bulu kempa umumnya menghasilkan penyisihan yang lebih baik daripada fabric tenunan. Namun tidak semua serat bisa dikempa ke dalam fabric dengan kekuatan cukup dan menjadikan fabric filter disusun dari filamen dan/atau serat yang awalnya dibelit menjadi benang, dan kemudian ditenun atau dirajut menjadi fabric (Buonicore dan Davis, 1992).
Electrostatic Precipitator (EP)
Alat pengendali debu yang berfungsi untuk memisahkan gas dan abu sebelum gas tersebut keluar dari stack salah satunya adalah electrostatic precipitator atau EP.
Pengontrolan partikulat dari hasil proses industri telah merupakan masalah penting yang makin berkembang sejak mulai awal abad ke19. Teknologi EP ditemukan oleh Frederick Cattrell dan telah digunakan sejak tahun 1900-an. Instalasi pertama EP berhasil dengan sukses untuk digunakan sebagai penangkap asam Sulfat. Kemudian dilanjutkan pada industri semen untuk menangkap debu klinker dan debu semen. Setelah itu digunakan pada industri pengolahan batu bara yang menggunakan boiler.
Sejak tahun 1920 desain awal EP terus berkembang seperti yang dikenal sampai saat sekarang ini seiring dengan adanya pengetatan aturan lingkungan. EP sangat efektif sebagai pengendali partikulat terutama yang berukuran kurang dari 10-20 µm (dominan pada ukuran submikron). Pada sebagian besar aplikasinya EP memiliki efisiensi pengumpulan partikulat sebesar (80-99,9)%. Berikut di bawah ini gambar Electrostatic Precipitator (EP):
Gambar 5.7. Gambar Electrostatic Presipitator
Keterangan:
1. Precipitator Chamber (01) 2. Insulation (02)
3. Inspection Hatches (03) 4. Insulator Cubicle (04)
5. Drive stations for rapping gear (05) 6. Collecting Plates (06)
7. Collecting rapping gear (07) 8. Discharge Electrodes/ De (08) 9. Discharge Rapping Gear (09) 10. Inside Chain Drive (10) 11. Slide Bearing (11) 12. Guard Plates (12)
13. Supporting insulators (13) 14. Insulator Shaft (14)
15. Gas Distribution Shields (15).
Prinsip Dasar Electrostatic Precipitator
Prinsip dari pengumpulan debu hanya sebatas pada penggunaan energi listrik untuk memberi muatan (negatif) ke partikulat di udara kotor atau aliran gas. Partikel yang sudah diberi muatan tadi berpindah dan terikat pada collecting surface yang muatannya berlawanan (positif). Tujuan akhirnya adalah membersihkan partikulat yang telah terkumpul tadi.
EP sebenarnya merupakan usaha pengembangan prinsip presipitasi untuk dimanfaatkan dalam industri-industri, dengan menggunakan muatan negatif pada discharge electrodes dan muatan positif pada collecting surface. Inti dari proses EP sendiri terjadi diantara dua elektroda tadi. Tegangan yang dibutuhkan ± 15000-100000 V tergantung dari konfigurasi presipitator. Makin tinggi tegangan yang diberikan, makin rendah resistifitasnya, sehingga efisiensi bertambah.
Proses penangkapan debu pada EP secara umum terdiri atas tujuh langkah proses dasar yang berlangsung secara kontinu yaitu (Anonim, 2006):
1. Gas masuk melalui gas distribution ke dalam treatment zone 2. Terjadi proses particle charging.
Partikel yang melewati EP akan mengalami ionisasi muatan oleh elektroda kawat. Proses ionisasi dimulai dengan pemberian muatan ke kawat elektroda (arus searah dengan tegangan tinggi) sehingga menimbulkan efek korona.
Efek ini terlihat dari adanya cahaya biru luminescence disekitar kawat. Efek korona ini akan mengionisasi udara disekeliling kawat dengan pelepasan muatan negatif (elektron) (Anonim, 2006).
4. Ionisasi dari molekul gas
Proses yang terjadi pada corona discharge kemudian akan membombardir partikel tersuspensi dalam aliran gas menjadi bermuatan negatif. Partikel yang bermuatan negatif akan bergerak menuju collection electrode bermuatan positif dan kemudian disisihkan. Plat kolektor bermuatan positif karena biasanya dihubungkan dengan tanah (grounding), usaha ini akan menambah tingkat efisiensi EP dengan penempelan banyak partikel pada bagian permukaan plat tersebut.
5. Pengumpulan Partikel
Pada saat partikel bermuatan negatif tadi mencapai collecting electrode yang dihubungkan ke tanah, maka hanya sebagian dari muatan tersebut yang akan terbuang (discharge). Muatan tersebut akan meluncur melalui collecting plate ke tanah secara perlahan. Sebagian daripada muatan tersebut tersusun kembali dan akan berkontribusi terhadap adanya kohesi dan adhesi antar molekul untuk tetap memegang partikel melekat pada collecting plate. Partikel-partikel yang tetap melekat pada collecting plate disebabkan karena adanya gaya adhesi. Sedangkan partikel-partikel yang baru saja datang dan melekat pada collecting plate disebabkan oleh karena adanya gaya kohesi. Tebal lapisan debu yang diizinkan melekat pada collecting plate berkisar antara 0,08 sampai 1,27 cm.
Partikel debu yang telah terkumpul pada collecting plate kemudian mengalami proses rapping yaitu proses pembersihan plat kolektor dari partikulat yang menempel. Hentakan-hentakan rapping yang terperiodik pada collecting plate sangat perlu dipertahankan untuk menjaga agar aliran gas tetap bersih secara kontinu. Collecting plate disentak pada saat lapisan debu yang terakumulasi memiliki ketebalan antara 0,08-1,27 cm. Akibatnya lapisan debu tersebut terlepas dari collecting plate (Anonim, 2006).
6. Penumpukan debu yang tertangkap
7. Proses pemindahan debu yang tertangkap
Debu yang terhempas dari collecting plate akan ditampung kedalam sebuah hopper yang sisi-sisinya memiliki kemiringan kira-kira 60° agar memudahkan debu jatuh secara bebas dari puncak hopper ke bukaan pelepasan dibawah hopper. Debu tersebut harus segera di transport secepat mungkin untuk menghindari permasalahan material handling seperti pengerasan dan penyumbatan.
Electrostatic Precipitator sebenarnya merupakan usaha pengembangan prinsip presipitasi untuk dimanfaatkan dalam industri-industri, dengan menggunakan muatan negatif pada discharge electrodes dan muatan positif pada collecting surface. Inti dari proses ESP sendiri terjadi diantara dua elektroda tadi. Tegangan yang dibutuhkan ± 15000-100000 V tergantung dari konfigurasi presipitator (Buonicore dan Davis, 1992).
Pemberian tegangan ada kaitannya dengan efektifitas kerja presipitator. Makin tinggi tegangan yang diberikan, maka efisiensi bertambah dan resistivitasnya tinggi. Corona Discharge adalah faktor utama yang mempengaruhi pemberian muatan partikel yang terjadi saat electric field (area antara discharge electrodes dan collecting surface) mencapai nilai tertentu dimana arus telah diterima. Arus ini akan terus bertambah sampai terjadi bunga api. Setelah partikulat bermuatan, berpindah, dan terikat pada collecting surface yang muatannya berlawanan, maka partikulat menjadi netral. Partikulat yang terkumpul tadi kemudian digoncangkan, digetarkan dengan rapping sehingga jatuh ke hopper dengan menggunakan hammer. Partikulat yang terkumpul cenderung membentuk layer (lapisan) (Buonicore dan Davis, 1992).
2.2.2. Latihan
Pabrik semen akan memasang EP sebagai alat pengendali pencemaran udaranya. Sebelum EP dipasang settling chamber sebagai pre-treatment dengan ukuran lebar 4 m, panjang 15 m dan tinggi 1.5 m. Ukuran diameter yang partikel yang boleh lolos ke EP adalah <10 mikron. Laju aliran gas terukur masuk ke settling
chamber 0.6 m3/detik. Aliran udara mengikuti hukum Stokes dengan faktor Cunningham : 1.25. Dengan data :
Berapakan efisiensi penangkapan untuk diameter 10 mikron tersebut ?
Jawab : 2.3. Penutup
2.3.1. Tes Formatif
1. Apakah maksudnya settling chamber dapat dianggap sebagai pre-cleaner? 2. Bagaimana prinsip kerja cyclone?
3. Sebutkan 2 tipe fabric filter yang sering digunakan! 4. Bagaimana tahap-tahap pengolahan dengan EP?
2.3.2. Umpan Balik
Cocokkan jawaban anda dengan kunci jawaban test formatif yang ada pada bahasan berikut ini, hitunglah jawaban anda yang benar, dan gunakan rumus ini untuk mengetahui tingkat penguasaan anda terhadap materi dalam bab ini.
Rumus : Tingkat penguasaan = Σ jawaban yang benar x 100%
4
Arti tingkat penguasaan yang anda capai adalah : 90% - 100% : baik sekali 80% - 89% : baik 70% - 79% : cukup 60% - 69% : kurang 0% - 59% : gagal 2.3.3. Tindak Lanjut
Jika anda mencapai tingkat kepuasan 80% keatas, maka anda dapat meneruskan dengan kegiatan belajar bab selanjutnya, tetapi jika tingkat penguasaan anda belum mencapai 80%, maka anda harus mengulangi kegiatan belajar bab tersebut terutama pada bagian yang anda belum kuasai. Untuk mencapai pemahaman tersebut anda dapat menghubungi dosen pengampu di luar waktu kuliah.
Jnis-jenis alat pengendali kering dimulai dari yang sederhana adalah settling chamber sedang yang rumit dan mahal seperti Electrostatic Presipitator. Tiap alat pengendali kering memiliki prinsip kerja yang berbeda. Settling chamber hanya mengandalkan gaya gravitasi, cyclone mengandalkan gaya sentrifugal dan gravitasi, fabric filter dengan gaya intersepsi, difusi, gravitasi dan EP dengan gaya elektrostatik dan gravitasi. Efisiensi tertinggi dicapai EP disusul fabric filter, sedangkan terendah adalah settling chamber.
2.3.5 Kunci Jawaban Tes Formatif
1. Settling chamber dianggap sebagai pre cleaner karena efisiensinya cukup rendah untuk partikel ukuran kecil (<20 mikron). Sehingga alat ini sering digunakan sebelum alat pengendali utama seperti cyclone, fabric filter, EP dan scrubber. 2. Cyclone bekerja dengan 2 gaya yaitu sentrifugal yang dihasilkan dari inlet tangensial dan gaya gravitasi setelah partikel tertumbuk di dinding alat.
3. Tipe yang sering digunakan adalah reverse-air dan pulse-jet
4. Tahapnya : entering gas, particle charging, corona discharge, ionisasi molekul gas, pengumpulan partikel, penumpukan debu yang tertangkap serta proses pemindahan debu tertangkap.
DAFTAR PUSTAKA
______.(2006) .http://yosemite.epa.gov/ 12bles5.pdf. 25 Februari 2006
______. 2005. Fabric Clean Pulse-Jet Fabric Filter. http://www.flsmidth.com/flsmidth+airtech/english/contact/brochures/produc
t+brochures/fabricfilterfabriclean.pdf. diakses pada 27 Desember 2005 ______. 2005. PTP Indarung V
Beachler, David S., Joseph, Jerry., and Pompelia, Mick. 1995. Fabric Filter Operation Review. USA : North Carolina State University.
http://yosemite.epa.gov/oaqps/eogtrain.nsf/DisplayView/SI_412A_0-5?OpenDocument. diakses pada 30 Desember 2005
Bethea, M. Robert. 1978. Air Pollution Control Tecnology. New York: Van Nostrand Reinhold Company.
Buonicore and Davis. 1992. Air Pollution Engineering Manual. New York: Van Nostrand Reinhold Company.
Copper, C. David and Alley, F. C. 1986. Air Pollution Control A Design Approach 2nd Edition. Maveland Press Inc, Illinois.
Davis and Cornwell.1998. Introduction to Environmental Engineering. Mc. Graw-Hill Company Inc, Singapore.
Mycock, John C.,et al. 1995. Air Pollution Control Engineering and Technology. CRC Press Inc.
SENARAI