PENGEMBANGAN MODEL MATEMATIK PROSES PENGERINGAN DALAM ROTARY DRYER UNTUK POLA ALIR NON IDEAL DAN UKURAN PARTIKEL TIDAK SERAGAM.

PENGEMBANGAN MODEL MATEMATIK PROSES PENGERINGAN DALAM ROTARY DRYER UNTUK POLA ALIR NON IDEAL DAN

UKURAN PARTIKEL TIDAK SERAGAM

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

Oleh : Margono

Sidang Terbuka Promosi Doktor Jurusan Teknik Kimia ITS 2010

Pembimbing

Prof. Dr.Ir. Ali Altway, MS Dr.Ir. Kuswandi, DEA

Dr.Ir. Susianto, DEA

PENDAHULUAN Rotary Dryer

„

Merupakan peralatan pengering yang digunakan secara luas dalam industri.

„

Terdiri dari silinder berputar yang membentuk sudut tertentu terhadap horizontal.

„

Aplikasi untuk mengeringkan bahan padat yang tidak mudah pecah dan tidak peka terhadap panas.

„

Menghasilkan perpindahan panas dan

massa yang efektif

Rotary Dryer

Roadmap penelitian

Ryoso et al (1994)

Friedman &

Marshall (1949)

Okazaki et al (1995)

Naon et al (1995)

Yliniemi (1999)

Cao et al (2007)

Mujumdar et al (2009)

Eksperimen

•

Koef. Perpindahan panas

• Waktu tinggal padatan

• Pola alir padatan

Pemodelan

•Model matematik

•PF, Mixed flow, Fuzi

•Ukuran Partikel seragam

•Bentuk bola

Fernandez et al (2009)

Originalitas penelitian

Tujuan Penelitian

Mengembangkan model matematik

rotary dryer untuk mengeringkan pupuk ammonium sulfat dengan anggapan :

„

Aliran padat plug flow back-mixing (PFBM) dan;

„

Ukuran partikel tidak seragam.

Pengembangan model perpindahan panas dan massa dalam rotary dryer

Penyelesaian secara numerik

Validasi Data operasi RD skala pilot

Pola alir (literatur)

Distribusi ukuran partikel

(eksperimen &

simulasi) Model koefisien

perpindahan pans volumetrik

(literatur) Model

waktu tinggal (literatur) Karakteristik

pengeringan partikel padat (eksperimen &

simulasi) Model

proses pengeringan

(simulasi)

METODOLOGI

Bagan Alir Rancangan Penelitian

Pengaruh bentuk partikel

Dua faktor yang saling berhubungan pada bentuk partikel,

1.permukaan spesifik partikel Î sphericity Wadell 2. panjang difusi moisture Î sphericity berbasis difusi

Metode analisa:

Model difusi pengeringan isothermal partikel solid dengan kondisi batas Neuman (penguapan di

permukaan partikel)

Dipelajari partikel bola dan silindris dengan

berbagai rasio tinggi-diameter

Karakteristik Pengeringan Partikel Padat

TC Td

Tw

Fan Heater

Balance Sampel

Thermocouple

Rangkaian Peralatan Tray Dryer

Model waktu tinggal

Harga k dievaluasi menggunakan data RD pilot pada kondisi :

G 0.6 BL

D N

S

L

θ = k

_0.9

± _{B = 5(D}

_P

₎

^−0.5

Persamaan Perry and Chilton

Parameter Nilai

Tekanan, P (atm) 1

Suhu, T (oC) 110

Konstanta, R (m3.atm/kmol) K 0,08205

BM Udara (kg/kmol) 28,84

Diameter partikel, Dp (μm) 185 Mass rate udara, G (kg/jam.m2) 1999,6

Parameter Nilai

Panjang Dryer , L (m) 12,2 Diameter, D (m) 2,418

Slope, S (%) 4,5

Putaran, N (rpm) 3,5

Kondisi Operasi RD Dimensi RD

Model koefisien perpindahan panas volumetrik (Uv)

n

v

G

D

U = k ^{n = 0.67}

Friedman &

Marshall (1949):

f 0.46

v

G

2 1 n

Di 0.477

U ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= ^N

f

= 20

Yliniemi (1999) :

k

Koefisien dispersi aksial

e

z

P

VL

D = 1 /

( ^{2 . 46 10}

¹²

) _⎟⎟

^2.02

^{, < 0 . 287}

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

−

−

SN D

F SN

D x F

VL D

s s

z

( ^{1 . 79 10}

¹⁰

) _⎟⎟

^1.415

^{, > 0 . 287}

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

=

⁻

⎛

SN D

F SN

D x F

VL D

s s

z

( Fan dan Ahn, 1961)

dimana :

Penentuan Laju Pengeringan

(

^Bt

)

^{B X}

B dt K

X R d

t X r

r D X

r r

w

eff

=

−

=

−

=

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

= ∂

∂

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

∂

∂ ∂

exp 1

2

2

( )

^β

ρ_{s eff} k_G P_A^sat P_A r

D X R

r t

r r X

t

X X R

r t

−

∂ =

− ∂

=

>

∂ =

= ∂

>

=

≤

≤

=

0

0 0

0 0

0 ₀

X=X(r,t)

( ) ^t

X X =

(

^Bt

)

K

X = exp −

f p e d

c

H T D

v g B = (

Bt

)

B X

B dt K

X

R_w = −d = exp − =

∫

= ^R X r dr X R

0

2 3

3

Model proses pengeringan pupuk ZA didalam rotary dryer (ukuran partikel seragam)

1. Model Plug Flow (model PF)

2. Model Dispersed Plug Flow atau model

Plug Flow dengan Back Mixing (model

PFBM)

Model proses pengeringan pupuk ZA didalam rotary dryer (ukuran partikel tidak seragam)

Model distribusi ukuran partikel:

‰ Rosin-Rammler dan fungsi Gamma

Anggapan:

‰ kondisi suhu dan humidity udara

disepanjang dryer sama dengan

kondisi pada saat masuk dryer

16

Rotary dryer skala pilot

Dimensi:

panjang : 12,2 m ; diamter : 2,418 m slope : 4,5 % ; rpm : 3,5 Jumlah flight : 20 ; Tebal silinder : 1 cm

Feed basah

Screw conveyor

Rotary dryer

Produk

Udara Steam

Kondensat

17

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ¹

0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Waktu pengeringan tak berdimensi

Kadar air takberdimensi,F

Bi=1,Analitik Bi=1,Pendekatan Bi=0.5 Analitik Bi=0.5 Pendekatani

Hasil dan pembahasan

Perbandingan penyelesaian analitik dan pendekatan partikel silinder dengan H/D = 0.25 dan bilangan Biot 0.5 atau 1.

θ

4D

18

1

Perbandingan penyelesaian analitik dan pendekatan untuk partikel silinder dengan H/D = 4 dan bilangan Biot 0.5 atau 1.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Waktu pengeringan tak berdimensi,

Kadar air takberdimensi,F

Bi=1,Analiti^k Bi=1,Pendekatan Bi=0.5, Analitik Bi=0.5, Pendekatan

θ

H

D

19

Kadar air takberdimensi,F

Waktu pengeringan tak berdimensi,

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1 Bi=1,Analitic

Bi=1,Pendekatan Bi=0.5, Analitic Bi=0.5, Pendekatan

Perbandingan penyelesaian analitik dan pendekatan untuk partikel bola dengan bilangan Biot 0.5 atau 1.

θ

20

Kadar air takberdimensi,F

Kadar air rata-rata tak berdimensi versus waktu pengeringan tak berdimensi. Pengaruh bentuk partikel untuk bilangan Biot = 1.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Waktu tak berdimensi,

silinder H/D=0.25 silinder H/D=4

bola

θ

21

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 2 4 6 8 10 12

Kadar air tak berdimensi,F

Lajupengeringantakberdimensi,RD

silinder H/D=0.25 silinder H/D=4 bola

Laju pengeringan tak berdimensi versus kadar air rata-rata tak berdimensi. Pengaruh bentuk partikel untuk bilangan Biot =1.

22

Karakteristik

Karakteristik pengeringan pupuk ZA pengeringan pupuk ZA

Koefisien difusi efektif, Deff

Model matematik proses pengeringan ZA di dalam tray dryer

2 2

x D M

t M

eff

∂

= ∂

∂

∂

(

A A

) ^β

G

eff

k P P

x

D M = −

∂

− ∂

⁰

= 0

∂

∂ x M

t = 0 M = M0 0 ≤ x ≤ L

t > 0 x = 0

t > 0 x = L

( )⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

= − ⁰

0

M t M M

β

e

didapat dengan cara fitting model matematik yang dikembangkan terhadap data percobaan.

Deff

BC Neuman yang dimodifikasikan dengan faktor partisi.

23

Nilai koefisien difusi efektif

De_ff = 9.7 x 10^-18 T^2.702

No. Temperatur solid, T_S ⁰C Koefisien difusivitas efektif, D_eff x 10^-11 m2/s

1

2 3 4 5

42.2 52.3 68 77 80

5.45 6 6.75 7.25 7.45

24

Laju pengeringan.

X Dp

T H

v x

R

_W

= 1 . 67184 10

^{−12 0.75719 −0.01773 4.87650 −1.27485}

25

Pemodelan persamaan perpindahan panas dan massa di dalam rotary dryer partikel seragam.

Model matematik dengan variasi kadar air solid dalam rotary dryer

2 1

1 2

φ ξ

ξ

∂ ⁼

+ ∂

∂

− ∂ X

P X

e

L

= z ξ

z s

e D

P = LV

s w

V

= LR

φ

1

Model matematik dengan variasi suhu solid dalam rotary dryer

s s eHs

L P V

= α

2 1

1 1

2 1

1

2

ψ φ

ξ

ξ ∂ ^{− =}

− ∂

∂

∂ F F F

P

_eHs

Model matematik untuk variasi suhu udara pengering dalam rotary dryer

3 2 2 2

2 2

1 2 ψ φ

ξ

ξ ∂ ^{+ =}

− ∂

∂

∂ F F F

P_eHu ^{0 0}

0 2

s g

s g

T T

T F T

−

= −

ud g eHu

L P V

= α

(

^Δ−

)

^⎜⎜_⎝^{⎛ ⎟⎟}_⎠^⎞

=

g s g g s g w

F F V

L T T

h C

R

0

φ3

Model matematik untuk variasi kelembaban udara pengering di dalam rotary dryer

1 0

2 1

2 + =

∂ + ∂

∂

∂

w ek

Y R Y

P β

ξ ξ _dt

g

ek N

L P = V

dc g

dt D

V N L

48

2 2

=

Ndt adalah koefisien dispersi Taylor Ddc merupakan koefisien difusi

26 Profil kadar air dalam solid dengan

sistem PF dan PFBM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Panjang RD tak berdimensi, ^ζ

Kg air /kg solid kering, x 103

PF BM

Umpan 20 ton/j PF BM

Umpan 32 ton/j

PFUmpan 32 ton/j PFUmpan 20 ton/j

27

Suhusolid ZA (C)

Profil suhu solid ZA dengan system PF dan PF BM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Panjang RD tak berdimensi, ^ζ PF

Umpan 20 ton/j

PF BM

Umpan 32 ton/j PF BM

Umpan 20 ton/j PF

Umpan 32 ton/j

28 Profil suhu udara pengering dengan sistem

PF dan PFBM.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

50 60 70 80 90 100 110

Panjang RD tak berdimensi, ^ζ

Suhuudarapengering(C)

PFBM

Umpan 20 ton/j

PF BM

Umpan 32 ton/j

PF

Umpan 32 ton/j PF

Umpan 20 ton/j

29

Panjang RD tak berdimensi,

Profil suhu udara pengering dan suhu

solid ZA di sepanjang rotary dryer dengan laju umpan 20 ton/j

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

30 40 50 60 70 80 90 100 110

ζ

Suhu solid/ udara pengering (C)

Suhu udara pengering umpan 20 ton/j

Suhu solid ZA Umpan 20 ton/j

30

Profil kelembaban udara dengan sistem PF dan PFBM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06

Panjang RD tak berdimensi, ^ζ

Kelembabanudara

PFBMUmpan 20 ton/j PFUmpan 20 ton/j

PFBMUmpan 32 ton/j PF

32 ton/j

No Xin,% Ts,in, C

Fs,ton/

h

Tg,in, C

Xin – X out, % Error, % PF PFBM Pilot PFBM PF 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.51 0.51 0.615 1.175 0.36 0.655 0.675 0.975 0.94 0.51

65 65 70 70 60 65 70 65 70 64

24 33 36 33 36 36 33 30 26 30

115 115 114 113 113 117 115 112 109 109

0.49 0.49 0.59 1.12 0.34 0.61 0.63 0.93 0.90 0.49

0.46 0.43 0.53 1.06 0.30 0.57 0.59 0.86 0.82 0.42

0.43 0.45 0.57 1.08 0.28 0.58 0.60 0.86 0.97 0.45

6.98 4.44 7.02 1.85 7.14 1.72 1.67

0 5.75 6.67

13.95 8.89 3.51 3.70 21.43

5.17 5.00 8.14 3.45 8.89

Validasi hasil prediksi simulasi dengan data

operasi rotary dryer pilot.

32

Distribusi ukuran partikel

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

150 180 212 250 300 355 425 500 600

Diameter, D(μ m)

Fraksimassadiameter >D,MD

Rata-rata ukuran partikel (μ), standard deviation (σ), dan coefficient of variance (CV) dapat dihubungkan dengan parameter model sebagai berikut

β α

μ = σ = α

^0.5

β

¹_0.5

α μ

σ

₌

= CV

Plot distribusi ukuran partikel

33

Model matematik proses pengeringan dalam rotary dryer ukuran partikel tidak seragam

Profil kadar air padatan:

Model distribusi ukuran partikel:

Rosin-Rammler Gamma Funtion

( ) ⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

− ⎛

=

⁻

n n

n

D

D D D

D n

p

¹

exp ( )

^α

( )

^β

α

α β

D

e D D

p

^{− −}

= Γ 1

¹

( ) ( ) [ ( ) ] _⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ − − − −

=

= φ ξ φ ξ

1 1

0

1 exp 1 exp

,

_{e e}

e

P P P

X z

D f X

Profil kadar air rata-rata:

( ^{D z} ) ( ) ^{p D dD}

f z

X ⁼ ∫

^∞

0

, )

(

Dapat dipilih D_max sehingga kita peroleh

999 . 0

1exp

0

max ≥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

−⎛

∫

_D^{n Dn}− _D^{D n dD} D

n

34

Pengaruh distribusi ukuran partikel terhadap profil kandungan air dalam solid pada Rotary Dryer (model Rosin Ramller).

35

Perbandingan modell distribusi Rosin Rammler dan fungsi Gamma terhadap profil kandungan air dalam solid pada Rotary

Dryer

36

Kesimpulan dan saran 5.1 Kesimpulan

1. Hubungan antara koefisien difusi efektif moisture di dalam partikel ZA dan suhu adalah

702 . 2

10

18

7 .

9 x T

D

_eff

=

⁻

37

2 Penelitian ini memperkenalkan faktor bentuk baru yaitu faktor bentuk berbasis

difusi yang didefinisikan sebagai

perbandingan antara diameter ekivalen

patikel dengan jarak lintasan difusi rata-rata

didalam partikel. Faktor bentuk baru ini lebih

sesuai untuk dijadikan acuan untuk

memperkirakan pengaruh bentuk partikel

terhadap laju pengeringan dari pada faktor

bentuk Wadell yang berbasis luas spesifik

partikel.

3. Persamaan laju pengeringan yang dikembangkan pada penelitian ini adalah:

X Dp

T H

v x

R

_W

= 3 . 34368 10

^{−12 0.757192736 −0.01772984 4.876500958 −1.27484598}

39

4.

Telah dikembangkan model matematik untuk proses pengeringan pupuk ZA didalam rotary dryer dengan dua model yaitu model Plug Flow (model PF) dan model Dispersed Plug Flow atau model Plug Flow dengan Back Mixing (model PFBM) dengan asumsi ukuran partikel seragam. Model ini telah divalidasi menggunakan data operasi rotary dryer skala pilot yang terdapat di PT Petrokimia Gresik. Ternyata model PFBM memberikan prediksi dengan penyimpangan yang lebih kecil ( %) dibandingkan model PF( %).

.

40

5.

Telah dikembangkan model matematik proses pengeringan pupuk ZA dalam rotary dryer dengan ukuran partikel bervariasi menggunakan model distribusi Rosin-Rammler dan model distribusi Gamma. Penggunaan model Rosin Rammler memberikan prediksi kandungan air dalam padatan keluar dryer yang lebih kecil dari pada penggunaan model distribusi fungsi Gamma.

6. Hasil simulasi menggunakan model Gamma

diperoleh bahwa distribusi ukuran partikel tidak

berpengaruh terhadap kinerja rotary dryer untuk CV

lebih kecil dari 0,5. Sebaliknya untuk CV lebih besar

dari 0,5, kenaikan CV meningkatkan kinerja dryer atau

menurunkan kadar air dalam padatan yang keluar dari

dryer.

41

5.2 SARAN

1. Perlu diteliti lebih lanjut korelasi laju pengeringan dengan memperhitungkan faktor bentuk

2. Dikembangkan model matematik RD dengan

memperhitungkan back mixing aliran solid

maupun gas, ketidak seragaman ukuran

partikel dan variasi kondisi udara pengering di

sepanjang RD

42

TERIMA KASIH

43

Lampiran jurnal

1. International Review of Chemical Engineering (Rapid Communications) – Papers

Effect of Particle Shape on the Drying Rate of Solid Particles (IReChE) by Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswandi

Accepted January 2010. International journal.

2. Effects of Feed Rate and Residence Time on Environment of Rotary Dryer Processes

Margono, M.Taufik H., Ali Altway, Kuswandi, Susianto

Journal of Applied Sciences in Environmental Sanitation” Volume 4, Number 1, January-April 2009, pp. 11 – 20. International journal.

3. Heat Transfer in a Rotary Dryer

Margono,Ali Altway, Susianto, Kuswandi

Jurnal Teknik Mesin,Volume 9, Nomor 1, Januari 2009, hal. 69 - 76 Journal Nasional terakreditasi.

44

Pembawa makalah dan publikasi pada prosiding seminar:

1. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi,” The Effects of Various Shape and Size and Axial Dispersion of solids Particles on Mass and Heat transfer in a rotary Dryer”, Sriwijaya International Seminar on Energy Science and Technology, Universitas Sriwijaya, Palembang, 5-6 Nopember 2008

2. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi,” Mathematical Modeling of Drying Process in Rotary dryer”, Regional Symposium on Chemical Engineering (RSCE),Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 4-5 Desember 2007

3. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi, “Mass and Heat Transfer in a Rotary Dryer”, Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia 2008, Jurusan Teknik Kimia, ITS, Surabaya, 5 November 2008

4. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi“Effect of Distribusi ukuran partikel on Ammonium Sulphate Drying on a Rutary Dryer”, International Symposium on Sustainable Energy & Environmental Protection (ISSEEP}, Gajah Mada University, Dept. of Chemical, Mechanical & Industrial Emgineering, Yogyakarta, November 23 – 26, 2009.

45

5. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswandi,“Drying Rate and Moisture Content of Cylindrical particles of Ammonium sulphate in Rotary dryer”, Seminar Nasional Pengolahan Sumber Daya Alam dan Energy Terbarukan, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, UPN

“Veteran” Surabaya, 18 Juni 2008

6. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswandi ,”Eksperimen dan Simulasi Karakteristik Pengeringan Pupuk Ammonium Sulfat”, 1stAPTECS 2009 NATIONAL SEMINAR ON APPLIED TECHNOLOGY, SCIENCE, AND ARTS, Lembaga Pengabdian Pada Masyarakat (LPPM) Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 22 Desember 2009.