BATU BARA DI DALAM FLUIDIZED BED DENGAN SIMULASI CFD
Mochammad Agung Indra Iswara1, T. Nurtono2 and S. Winardi31,2,3Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Penentuan kecepatan bubbling dilaksanakan dalam kondisi operasi pada saat simulasi pembakaran batubara di dalam fluidized bed. Langkah-langkah yang dilakukan sebelum melakukan simulasi pembakaran adalah melakukan validasi fluidisasi lalu dilakukan meshing, selanjutnya dilakukan simulasi fluidisasi. Geometri fluidized bed yang digunakan berbentuk tabung dengan panjang silinder fluidized bed 1.370 mm, diameter silinder 152 mm. Bahan yang digunakan pada penelitian ini berupa pulverized coal dengan jenis batubara Bituminous dimana ukuran partikel dianggap monodisperse dengan particle size sebesar 1.43 mm dan polydisperse dengan ukuran partikel 1 mm dan 1,86 mm, dan variasi kecepatan superficial sebesar 0,1 sampai 1,5 m/s. Hasil yang didapat adalah batubara jenis bituminous memiliki kecepatan minimum fluidisasi untuk monodisperse sebesar 0,5 m/s selama 10 detik sedangkan untuk polydisperse hampir sama dengan monodisperse yaitu sebesar 0,45 m/s selama 60 detik dengan pressure drop yang diperoleh untuk monodisperse sebesar 2.500 Pa namun pada polydisperse pressure drop sebesar 1.200 Pa. Hasil kedua adalah penentuan kecepatan bubbling pada kondisi seragam yaitu sebesar 0,51 m/s dan pada kondisi partikel polydisperse sebesar 0,8 m/s..
Kata kunci: bubbling fluidization, batubara, kecepatan minimum fluidisasi, Fluidized Bed
ABSTRACT
The Determination of bubbling velocity is carried out in the operating condition during the simulation of coal combustion in a fluidized bed. The step was preceded by fluidization validation, followed by meshing method, and the next step was fluidization simulation. The used fluidized bed geometry was tubular cylinder. The used materials in this study was pulverized coal with Bituminous coal type which has the particle size of 1.43 mm for the monodispers, and those of 1 mm and 1.86 mm for the polydisper, and the superficial velocity was varied from 0.1 to 1.5 m/s. The result shows that the minimum fluidization velocity was 0.5 m/s for monodispered with the pressure drop of 2.500 Pa in 10 seconds, and that of 0,45 m/s for polydispersed with the pressure drop of 1.200 Pa in 60 seconds. The determining bubbling velocity in single particle size was 0,51 m/s, and that for polydispered was 0,8 m/s. Keywords: bubbling fluidization, coal, minimum fluidization velocity, Fluidized Bed
1. PENDAHULUAN
Di era globalisasi sekarang ini, kebu-tuhan energi fosil semakin meningkat, misalnya minyak bumi, gas alam, dan batubara. Penggunaan energi fosil diguna-kan sebagai bahan bakar penggerak mesin, dan sumber panas di dalam furnace. Namun karena ketersediaan bahan bakar fosil
semakin menipis, mendorong industri besar untuk menciptakan suatu cara alternatif dalam mengunakan energi fosil ini. Salah satunya dengan cara memperlakukan bahan bakar fosil yang berbeda, seperti diketahui bahwa energi fosil berbentuk fluida sangat mudah untuk di-treatment yaitu diubah menjadi spray/disemburkan, diubah menjadi gelembung/droplet. Sedangkan bahan bakar
padat perlu penanganan khusus, biasanya bongkahan bahan bakar padat misalnya batubara langsung dimasukkan ke dalam furnace atau diubah menjadi briket atau digasifikasi. Baru–baru ini seorang peneliti Wang1) mempresentasikan fluidisasi batubara yang sebelumnya di-pulverized dahulu kemudian batubara dibakar di dalam kolom, lalu batubara yang baru masuk ke dalam kolom fluidisasi secara kontinyu. Keunggulan sistem fluidisasi batubara adalah fleksibilitas batubara, emisi NOx dan SOx rendah, tidak terjadi slagging dan korosi.
A. Teori
Fluidisasi menurut Mc Cabe2) adalah metode pengontakan butiran-butiran padat dengan fluida (cair ataupun gas) sehingga memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. Sedangkan Fluidized Bed adalah bed partikel padat yang mana digerakkan oleh hembusan aliran gas ke atas, kecepatan aliran gas harus lebih besar untuk menyebarkan partikel (fluidized bed) tetapi partikel tersebut tidak keluar dari unggun. Unggun tersebut memiliki sifat seperti cairan, yang terlihat seperti mendidih dan memperlihatkan kemampuan mengapung dan tekanan hidsrotatik. Menurut Ragland3) Fluidized bed terdiri atas 4 bagian, yaitu air plenum; air distributor; bed; dan freeboard. Fungsi dari freeboard adalah digunakan untuk melepaskan partikel yang terlempar ke atas bed dan menyempurnakan pembakaran dari partikel kecil yang belum terbakar sempurna di dalam bed. Air plenum sebagai ruang kosong untuk saluran udara atau gas yang akan memfluidisasi unggun tersebut, sedangkan air distributor adalah alat untuk mendistribusi udara/ gas agar unggun terfluidisasi merata di sepanjang permukaan unggun.
Parameter yang penting dalam mempelajari fluidisasi adalah kecepatan minimum fluidisasi Umf yang merupakan kecepatan awal terjadinya fluidisasi di dalam unggun, dan menentukan tekanan yang hilang yang terdapat pada awal fluidisasi. Sehingga pada penelitian ini membuktikan dan memvalidasi penelitian Wang1) dimana mendistribusikan ukuran partikel batubara selanjutnya difluidisasi dan dikeringkan dengan udara panas.
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kecepatan minimum fluidisasi dan kecepatan bubbling partikel batubara seragam/ rata-rata dan dua jenis ukuran dengan menggunakan simulasi CFD dimana fraksi massa tiap ukuran sebesar 50%.
Penentuan kecepatan minimum fluidisasi diperoleh dari persamaan Ergun yaitu persamaan (1), sedangkan kecepatan superficial adalah kecepatan yang dimiliki fluida saat fluida itu bergerak pada bidang yang sama tanpa mengalami gangguan. Kecepatan minimum fluidisasi dapat ditentukan secara grafis dan teoritis. Teknik grafis dapat dilakukan apabila tersedia kurva karakteristik fluidisasi (antara log u terhadap log ∆P) namun karena adanya penyimpangan seperti interlock, yang menyebabkan partikel menyatu (biasanya karena basah atau karena kelembaban udara) sehingga kecepatan udara yang dibutuhkan untuk memfluidisasikan partikel tersebut juga bertambah besar dan mengakibatkan pressure drop (ΔP) menjadi besar, maka kecepatan fluidisasi ditentukan dengan lima teori fenomena fluidisasi.
150(1−𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚)𝑑𝑑𝑝𝑝𝜌𝜌𝑔𝑔 𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚3µ 𝑢𝑢𝑚𝑚𝑚𝑚+ 1,75𝑑𝑑𝑝𝑝𝜌𝜌𝑔𝑔 𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚3µ 𝑢𝑢𝑚𝑚𝑚𝑚 2 = 𝑑𝑑𝑝𝑝2𝜌𝜌𝑔𝑔(𝜌𝜌𝑠𝑠−𝜌𝜌𝑔𝑔)𝑔𝑔 µ2 ………..(1)
Untuk keadaan ekstrem, yaitu:
1. Aliran laminer (Re < 20), kecepatan fluidisasi minimumnya adalah:
𝑢𝑢𝑚𝑚𝑚𝑚= 𝑑𝑑𝑝𝑝2 150 �𝜌𝜌𝑠𝑠−𝜌𝜌𝑔𝑔�𝑔𝑔 µ 𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚3 1−𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚………...(2) 2. Aliran turbulen (Re > 1000), kecepatan
fluidisasi minimumnya adalah : 𝑢𝑢𝑚𝑚𝑚𝑚2 =
𝑑𝑑𝑝𝑝
1,75
�𝜌𝜌𝑠𝑠−𝜌𝜌𝑔𝑔�𝑔𝑔
𝜌𝜌𝑔𝑔 𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚………..………(3) Grafik kondisi kurva fluidisasi tidak ideal dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Grafik Kondisi Kurva Fluidisasi Tidak Ideal Karena Adanya
Interlock4)
Fenomena-fenomena yang dapat terjadi pada proses fluidisasi antara lain:
1. Fixed bed
Pada kondisi ini, lapisan partikel padat (bed) tidak bergerak yang terjadi jika kecepatan fluida terlalu rendah sehingga tidak mampu menimbulkan fluidisasi. Fluida yang mengalir hanya sebagian kecil mengalir melalui celah-celah antara partikel akibatnya partikel-partikel tidak bergerak atau tak terfluidisasi. Pada kecepatan fluida yang rendah, pressure drop pada lapisan bed sebanding dengan kecepatan fluida. 2. Incipient atau Minimum Fluidisasi
Pada kondisi ini, adalah saat terbentuknya keadaan lapisan yang partikel-partikelnya melayang-layang, akibat kecepatan fluida berangsur-angsur dinaikan, dan pressure drop aliran fluida terhadap penampang melintang lapisan partikel (bed) juga naik. Keadaan ini disebabkan gaya gesek antara partikel dan fluida tidak seimbang terhadap berat partikel, komponen gaya vertikal sebagai gaya tekan antara partikel yang berdekatan hilang, dan pressure drop setiap penampang melintang (bed) sama dengan berat fluida dan partikel. Aliran fluida ini dinamakan “terfluidisasi”. Batasan pressure drop pada keadaan ini sama dengan jumlah berat fluida dan partikel sedangkan kecepatan fluida yang terjadi adalah minimum fluidization velocity, Umf.
3. Bubbling Fluidization
Kondisi ini menunjukkan suatu keadaan gelembung gas/udara mulai terbentuk dalam lapisan partikel, akibat kecepatan gas berangsur-angsur dinaikkan di atas kecepatan minimum fluidisasi, dan kejatuhan tekanan juga bertambah. Pada
keadaan ini, pressure drop sama dengan berat lapisan partikel. Selama kecepatan gas/udara dinaikkan, terjadi pembentukan gelembung menjadi lebih banyak, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan gerakan partikel bertambah besar akibatnya volume lapisan partikeltidak melebihi volume minimum fluidisasi.Lapisan partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida “lapisan gelembung fluida/ bubbling fluidized bed”. Pada keadaan ini membuat lapisan partikel (bed) tidak berekspansi. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, kemudian batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed akan mencapai suhu yang seragam. Pada kebanyakan proses fluidisasi dioperasikan pada daerah bubbling fluidization.
4. Slugging Fluidization
Ini merupakan kondisi suatu keadaan lapisan partikel gelembung gas menyatu dan bergerak keatas akibat partikel-partikel diatas gelembung didorong ke atas membentuk gumpalan partikel besar, dan jatuh menyebar seperti hujan.
5. Turbulent Fluidization
Merupakan suatu keadaan permukaan atas lapisan partikel menghilang, dan membentuk gelembung gas /udara dari berbagai ukuran serta bentuk. Hal ini terjadi pada kecepatan gas yang tinggi. Tahapan fenomena yang terjadi pada saat Fluidisasi dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2.Tahapan Fenomena yang Terjadi Saat Fluidisasi5)
CFD (Computational Fluid Dynamics) adalah teknik numerik untuk penyelesaian persamaan pengaturan aliran fluida didalam aliran fluida tertentu6). Aliran fluida dapat digambarkan dengan menggunakan
persa-maan Navier’s stoke. Menurut Versteeg7) kode CFD tersusun atas algoritma-algoritma numerik yang dapat menyelesaikan permasalahan aliran fluida. Suatu kode CFD terdiri dari tiga elemen utama yaitu pre-processor, solver, dan post-processor. Persamaan kontinuitas untuk suatu fluida compresible pada aliran steady state dalam notasi dapat ditulis sebagai berikut :
∂ρ/∂t+div(ρu)=0………...(4) Untuk aliran incompresible, nilai densitas ρ adalah konstan dan persamaan (1.1) menjadi Div (u) = 0……….………….…….…(5)
Selanjutnya persamaan momentumnya adalah ∂(ρui) ∂t + ∂�ρuiuj� ∂xj = − ∂p ∂xi+ ∂ ∂xj�µ � ∂ui ∂xj+ ∂uj ∂xi− 2 3 ∂uk ∂xkδij�� + ρgi+ Fi𝑖𝑖………...(6) dan k-ε turbulent model terdiri dari turbulent kinetic energy dan energy rate of dissipation
∂ ∂t(ρk) + ∂ ∂xi(ρkui) = ∂ ∂xj��µ + µt σk� ∂k ∂xj� + Gk+ Gb− ρɛ − Ym+ Sk….…………..….(7) ∂ ∂t(ρɛ) + ∂ ∂xi(ρɛui) = ∂ ∂xj��µ + µt σɛ� ∂ɛ ∂xj� + C1ɛɛk(Gk+ C3ɛGb) − C2ɛρɛ 2 k + Sɛ…….…(8) Bentuk persamaan energi menurut Marshall [5] adalah sebagai berikut :
∂(ρE) ∂t + ∂ ∂xi(ui(ρE + p)) = ∂ ∂xi�keff ∂T ∂xi− ∑ hj′ j′Jj′,i+ uj�τij�eff� + Sh……….(9) 2. METODE
Pada penelitian ini simulasi pem-bakaran batubara menggunakan software ANSYS® 15 Untuk pemodelan geometri digunakan Design Modeler®8) dengan penentuan jumlah grid dan node menggunakan Meshing®. Perhitungan iterasi simulasi CFD menggunakan FLUENT®. Selanjutnya dimensi yang
digunakan adalah 2 dimensi dengan perpotongan di tengah kolom. Bentuk Geometri Fluidisasi Bed Coal seperti pada Gambar 4. dan Gambar 5.
Gambar 3.Bentuk Geometri Fluidized Bed Coal 2D9)
Selanjutnya bahan yang digunakan adalah batubara pulverized coal dengan satu jenis ukuran diameter yaitu 0,00143 m yang mengacu pada penelitian Wang1) dan dua jenis diameter yaitu 0,001 m dan 0,00186 m yang diasumsikan sebagai mixture coal dan udara yang diasumsikan sebagai air yang bersuhu 298 K
Tabel 1. Pemodelan yang Digunakan
Persamaan multifase Eulerian Aliran turbulen k-ε standard
Penyelesaian control-volume-based
Gambar 4. Bentuk Meshing Fluidized Bed Coal 2D9)
Tabel 2. Kondisi Batas yang Digunakan9)
Kondisi Batas Keterangan Inlet Tipe : velocity inlet
Kecepatan : 0,1 sampai 1,5 m/s (arah sumbu-Y)
Outlet Tipe : pressure outlet Wall Tipe : interior
Pada penelitian ini dilakukan selama 10 detik simulasi, dengan time step size 1/1000 dan number of time step sebesar 10000 detik. 3. PEMBAHASAN
Hasil dari simulasi fluidisasi partikel batubara dibagi menjadi dua bagian, yaitu partikel batubara seragam yakni 0,00143 m dan dua ukuran partikel yakni 0,001 m dengan fraksi massa 50 dan 0,00186 m dengan fraksi massa 50. Diameter ukuran partikel tersebut mengacu pada penelitian Wang yang mana membandingkan kecepatan minimum fluidisasi pada eksperimen Wang dan simulasi CFD. Untuk penelitian Wang didapat kecepatan minimum fluidisasi dengan menggunakan persamaan Ergun sebesar 0,55 m/s, sedangkan pada saat simulasi sebesar 0,5 m/s. Sehingga tidak terjadi perbedaan secara signifikan antara simulasi dengan eksperimen, seperti pada Gambar 5
Gambar 5. Grafik Perbandingan antara Pressure Drop dengan Kecepatan dari
Hasil Simulasi denganPersamaan Ergun9)
Sementara untuk kontur fraksi volume solid pada saat kecepatan 0 m/s hingga 0,4 m/s belum terjadi pergerakan partikel, fase udara hanya melewati rongga antar partikel dan belum mampu
mengangkat unggun. Selanjutnya ketika kecepatan superfisial dinaikkan menjadi 0,5 m/s, terjadi pergerakan unggun partikel bagian bawah, dan tinggi unggun mulai naik dan di dalam unggun terjadi
gelembung-gelembung, fenomena tersebut adalah fenomena bubbling. Jika
kecepatan superfisial dinaikkan lagi sedikit demi sedikit maka terjadi perubahan fenomena menjadi slugging, gelembung di dalam unggun terbentuk menjadi banyak dan menyatu seperti membentuk lapisan-lapisan. Selanjutnya pada kecepatan 0,6 m/s gelembung naik ke permukaan kemudian pecah seperti pada Gambar 6
Gambar 6. Kontur Volume Fraksi Padatan pada tiap Kecepatan selama 10
Detik Simulasi1)
Pada simulasi ini juga didapat kecepatan bubbling yaitu sebesar 0,51 m/s, penentuan kecepatan bubbling ini sangat penting karena digunakan sebagai acuan kondisi operasi pada simulasi pembakaran, dengan asumsi panas dapat tersebar merata di seluruh bagian unggun dimana bubbling bergerak ke atas menggerakkan partikel di atas menuju ke bawah dan partikel di bawah bergerak ke atas seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Kontur Volume Fraksi Padatan pada Kecepatan 0,51 m/s selama
Dari Gambar 7. dapat dijelaskan bahwa pada kondisi tersebut terjadi kondisi bubbling, pada detik pertama gelembung terlihat simetris, kemudian naik menuju permukaan unggun, sebelum menuju permukaan gelembung terlihat menyatu dan membentuk gelembung besar. Pada bagian bawah unggun terbentuk lagi gelembung kemudian melebar membentuk slugging kemudian terpecah membentuk gelembung kecil, hingga seterusnya pada detik ke sepuluh.
Selanjutnya pada simulasi berikutnya adalah menentukan kecepatan minimum fluidisasi dan bubbling dengan dua partikel dimana berukuran 0,001 m dan 0,00186 m. Pada penelitian ini berbeda dengan yang sebelumnya, simulasi dilakukan selama 60 detik simulasi, dan kecepatan superfisial dimulai dari 0 m/s hingga 1,5 m/s. Ketika kecepatan superfisial dari 0 m/s hingga 0,4 m/s unggun partikel belum terangkat, selanjutnya dinaikkan lagi 0,45 m/s unggun mulai terangkat dan ini disebut sebagai kecepatan minimum fluidisasi. Selanjutnya pada kecepatan 0,5 m/s hingga 0,7 m/s terjadi slugging dan pada kecepatan 0,8 m/s mulai terbentuk bubbling, sehingga bisa disebut sebagai kecepatan bubbling. Setelah mengalami kondisi bubbling pada kecepatan 0,9 m/s hingga 1,5 m/s unggun mengalami turbulensi fluidisasi sehingga mengakibatkan tinggi unggun naik dan permukaan unggun tidak terlihat lagi seperti pada Gambar 8.
Gambar 8. Kontur Volume Fraksi Padatan pada Variasi Kecepatan (m/s)
pada Detik Simulasi ke-609)
Hasil selanjutnya adalah grafik pressure drop terhadap kecepatan superfisial selama 60 detik, pada kecepatan 0 m/s hingga 0,4 m/s pressure drop mengalami kenaikan secara signifikan, kemudian pada kecepatan 0,45 m/s terjadi fluidisasi minimum sehingga pressure drop membelok sejajar dengan sumbu-x. Pada kecepatan selanjutnya pres-sure drop bergerak mendatar sedikit naik turun dengan asumsi konstanhingga pada kecepatan 1 m/s terjadi kenaikan tekanan dan pada kecepatan 1,1 m/s terjadi penurunan sampai pada kecepatan 1,5 m/s pressure drop diasumsikan konstan mendatar pada sumbu-x seperti terlihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Grafik Pressure Drop Fase Padatan terhadap Variasi Kecepatan
(m/s) selama 60 Detik Simulasi9)
4. SIMPULAN
Dari hasil simulasi didapat bahwa kecepatan minimum fluidisasi untuk partikel seragam sebesar 0,5 m/s dan kondisi bubbling terjadi pada kecepatan 0,51 m/s, untuk dua jenis ukuran partikel didapat kecepatan minimum fluidisasi sebesar 0,45 m/s dan kondisi bubbling terjadi pada kecepatan 0,8 m/s. Kecepatan bubbling digunakan sebagai acuan kondisi operasi pada simulasi pembakaran batubara, dengan asumsi panas dapat tersebar merata di seluruh bagian unggun dimana bubbling bergerak ke atas menggerakkan partikel di atas menuju ke bawah dan partikel di bawah bergerak ke atas. Selanjutnya untuk pressure drop kecepatan minimum fluidisasi terjadi ketika pada saat inisiasi hingga kecepatan tertentu tekanan bergerak naik dan membelok konstan sejajar terhadap ke-cepatan superfisial.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. Wang, Wei-Cheng. Laboratory Investigation of Drying Process of Illinois Coals. 2012: North Carolina State University. USA.
2. McCabe, Warnen L., Smith, Julian C., Harriott, Peter.; Unit Operations of Chemical Engineering 4th Ed. Singapore: Mc.Graw-Hill, 1985.
3. Ragland, W. Kenneth and Bryden M. Kenneth; Combustion Technology: Taylor and Francis Group, 2nd ed, USA, 2011.
4. Susanti, A. dan Mu’aliya, M.F.R.; Simulasi Computational Fluid Dynamic Pengeringan Batubara Kualitas Rendah dalam Fluidized Bed Dryer: Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2014.
5. Kunii, Daizo. & Levenspiel, Octave.: Fluidization Engineering 2nd Ed. United
States of America: Butterworth-Heinemann: 1991
6. ANSYS, Inc. Tutorial Guide for Ansys Fluent 15.0; Modelling Heterogeneous Reactions with Eulerian-Granular Flow: 2010
7. Versteeg, H.K. & Malalasekera, W.; An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method (2nd Edition). USA: Pearson Prentice Hall, 2007
8. ANSYS, Inc.. Theory Guide for Ansys Fluent 14.5. Cannonsburg, PA 15317: 2011
9. Iswara, Mochammad Agung I.; Studi Fluidisasi dan Pembakaran Batubara Polydisperse di dalam Fluidized Bed dengan Pendekatan Numerik Berbasis CFD: Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya : 2016.
