SIMULASI PROSES PELEBURAN PASIR ZIRKON DALAM ROTARY KILN MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)

(1)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 19 Juli 2011

SIMULASI PROSES PELEBURAN PASIR ZIRKON DALAM ROTARY

KILN MENGGUNAKAN CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)

Dedy Husnurrofiq, Pristi Hartati

Pusat Teknolgi Akselerator dan Proses Bahan Jl. Babarsari PO BOX 6101 ykbb Yogyakarta 55281

ABSTRAK

SIMULASI PROSES PELEBURAN PASIR ZIRKON DALAM ROTARY KILN. Peleburan pasir zircon alam merupakan salah satu proses utama dalam pemurnian logam zirkon. Peleburan merupakan pemecahan ikatan ZrO2 dan SiO2 dengan cara mereaksikan pasir zirkon dengan NaOH selama 2 jam pada suhu sekitar

700 0C. Peleburan ini terjadi pada reaktor rotary kiln, dimana rotary kiln memiliki kemampuan untuk mencampur dan memanaskan material secara bersamaan, sehingga terjadi perpindahan panas yang baik pada pasir zirkon. Penelitian ini menitikberatkan pada tinjauan fenomena kecepatan aliran gas dalam reaktor peleburan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamics). Hasil simulasi menunjukkan bahwa distribusi aliran gas merata jika diberikan kecepatan aliran gas sekitar 0,03 m/s. Kecepatan aliran gas yang terlalu kecil akan menyebabkan reversed flow dan tidak mampu memberikan tekanan dalam reaktor. Kecepatan udara yang terlalu besar akan menyebabkan waktu tinggal dalam reaktor menjadi berkurang. Distribusi suhu pada kecepatan aliran gas 0,03 m/s cukup merata walaupun masih ada sedikit udara luar yang masuk melalui outlet reaktor. Besarnya kecepatan gas yang masuk ke dalam reaktor berpengaruh pada pemakaian energi reaktor.

Kata kunci: Aliran gas, Rotary kiln, CFD

ABSTRACT

SIMULATION OF ZIRCON SAND FUSION PROCESS IN ROTARY KILN. The fusion of natural zircon sand is one of main process in zircon purification. Fusion is breaking down the bonding ZrO2 with SiO2 by

reacting Zircon sand with NaOH for 2 hours at temperature 700 0C. The process occurred in a rotary kiln, which is chosen due its capability to mixing and heating the material simultaneously, so that heat transfer in zircon sand is well. This studyfocuses ona reviewof gasflowvelocityphenomenain fusion reactor using CFD (Computational Fluid Dynamics). Simulation results show that the distribution ofthe gasflowuniformlywhen givengas flow rateof about 0.03m/s.Gas flow rate that is toosmall willcause thereversedflowandpressurein areactor not capable of providing.

Airvelocityistoo largewillcause theresidence timein the reactorto be reduced. Temperature distributioninthe gasflowvelocity0.03m/sfairly uniformly, although there is still alittleoutside airentering through the reactoroutlet. The amount of gas velocityinto thereactor affects the energyconsumptionof the reactor

Keywords: Gas Flow, Rotary kiln, CFD

PENDAHULUAN

ndonesia adalah negara yang sangat kaya raya akan sumber daya mineralnya. Hampir diseluruh pulau di Indonesia memiliki mineral yang strategis. Istilah “Zamrud Khatulistiwa” sepertinya tepat sekali untuk menggambarkan kondisi mineral yang terkandung di Indonesia. Salah satu mineral yang ada di Indonesia yang belum banyak dilakukan explorasi maupun exploitasi adalah mineral Zirkon. Kegunaan logam zirkon sangat strategis, diantaranya untuk keperluan industri nuklir dimasa yang akan datang. Pasir zirkon yang

mempunyai rumus kimia ZrSiO4 banyak ditemukan di daerah kepulauan Bangka Belitung dan Kalimantan Barat, dimana hasil limbah pengolahan timah berupa tailing merupakan limbah dengan kandungan zirkon yang cukup tinggi.

Proses pemisahan mineral zirkon dari mineral-mineral lainnya dilakukan memakai metode pemekatan gravitasi basah diikuti dengan proses magnetisasi dan elektrostatik. Ekstraksi ZrO2 dari pasir zirkon memerlukan perlakuan kimia dan panas untuk memecah ikatan antara ZrO2 dan SiO2. Proses pengolahan zirkon menjadi

I

(2)

zirkonia (ZrO2) yang telah dilakukan adalah peleburan pasir zirkon alam kemudian dilakukan proses pelindian menggunakan air dan HCl, setelah itu dilakukan proses pengendapan hasil pelindian HCl menggunakan NH4OH. Endapan yang diperoleh, kemudian dilakukan proses pengeringan dan kalsinasi.

Pada proses peleburan pasir zirkon alam digunakan reaktor peleburan berbentuk Rotary kiln atau tungku peleburan putar. Jenis reaktor ini merupakan jenis Plug Flow Reactor (PFR). Fungsi dari proses peleburan ini adalah untuk memisahkan unsur Zr dengan Si yang terkandung dalam pasir zirkon alam. Proses peleburan ini berlangsung pada suhu sekitar 700 oC selama 2 jam operasi. Fenomen aliran fluida yang terjadi dalam reaktor peleburan merupakan hal yang menarik untuk dilakukan simulasi. Fenomena tersebut antara lain, pola distribusi suhu dan kecepatan aliran fluida pada tungku putar. Penggambaran profil aliran fluida penting dilakukan untuk meningkatkan efektivitas rancangan tungku peleburan pasir zirkon. Penggambaran profil aliran fluida dapat dilakukan dengan membuat simulasi yang berbasis pada CFD (Computational Fluid Dynamics) menggunakan

software Fluent. Computational Fluid Dynamics

merupakan alat desain yang digunakan para ahli maupun engineer untuk menyelesaikan permasalahan-permasalahan dinamika fluida dalam proses kimia. CFD dapat memberikan informasi mengenai konsentrasi, kecepatan, tekanan, dan temperatur di dalam peralatan proses[2].

TINJAUAN PUSTAKA

Proses peleburan pasir zirkon alam menggunakan tungku putar berfungsi untuk memecahkan ikatan antara ZrO2 dengan SiO2 dengan cara mereaksikan pasir zirkon alam dengan NaOH dalam tungku peleburan pada suhu 700 0C. Reaksi yang terjadi pada proses peleburan pasir zirkon alam seperti di bawah ini,

ZrSiO4 + 4NaOH  Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2H2O Mekanisme reaksi peleburan pasir zirkon adalah sebagai berikut, mula – mula campuran pasir zirkon alam dan NaOH (perbandingan 1:1,1) mengalami pemanasan. Dengan adanya perbedaan titik lebur antara pasir zirkon (ZrSiO4) dan NaOH, maka NaOH yang memiliki titik lebur lebih rendah dari pasir zirkon akan mencair lebih dahulu dan terdifusi ke dalam butiran pasir zirkon. Proses reaksi difusi NaOH ke dalam ZrSiO4 menyebabkan pecahnya ikatan antara ZrO2 dengan SiO2. Pada

gambar 1 terlihat zona proses peleburan pada reaktor peleburan atau Rotary Kiln.

NaOH Meleleh Pemanasan

ZrSiO4 & NaOH

Pemanasan ZrSiO4 _{NaOH bereaksi} dengan ZrSiO4 q

L

Gambar 1. Zona proses peleburan pasir zircon alam pada Rotary Kiln

Penggunaan Rotary Kiln atau jenis reaktor PFR (Plug Flow Reactor) memiliki karakteristik sebagai berikut[6]

,

1. Pencampuran yang sempurna terjadi pada arah dimensi radial (konsentrasi melintang sama)

2. Tidak ada pencampuran dan terdipersi ke arah axial

3. Profil kecepatan aliran yang seragam pada setiap jari-jari reaktor

Analisis distribusi suhu pada reaktor peleburan berbasis CFD. Computational Fluid

Dynamics adalah software yang digunakakan

untuk memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan memodelkan proses dalam persamaan diffrensial dan persamaan lainnya. Pada dasarnya persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE =

Partial Diffrential Equation) yang

mempresentasikan hukum-hukum konservasi massa, momentum, dan energi. Persamaan – persamaan dasar yang digunakan dalam modeling CFD diantaranya adalah[5,6] a. Persamaan Kontinyuitas





0   i i v x  (1) Dengan indeks i = 1, 2, 3 j = 1, 2, 3 ρ = Densitas Fluida x = jarak v = Komponen kecepatan

b. Persamaan Momentum pada reaktor peleburan

rotary kiln        F p r x x v x v v v t r r r r r r                            . 2 (2) Dengan P = tekanan statik r

v

= komponen kecepatan rata – rata r

(3)

F



= vektor gaya



= tensor tegangan stress



= densitas material fluida c. Persamaan Energi     



eff



h j j j eff T h j T v s k p E v E t          _ _ _            . . .   (3) Dengan entalpi h didefinisikan sebagai gas ideal



 j j jh Y h (4) Keff = t t P C Pr  _{= kondukstivitas turbulen}

k = konduktivitas molekuler fluida T = temperatur

P = tekanan statik

Cp = kapasitas panas spesifik

v

= komponen kecepatan rata – rata

j

J = flux difusi E = energi aktivasi Y j = Fraksi massa

Untuk menentukan waktu tinggal bahan dalam reaktor peleburan dihitung berdasarkan persamaan[2], R x D x P Q x L x t " 77 , 1  (5) dimana,

t = waktu tinggal dalam reaktor, menit L = panjang reaktor, meter

”

Q= sudut kedudukan bahan didalam kiln, derajat P = kemiringan kiln, derajat

D = diameter kiln, meter R = kecepatan putaran kiln, rpm

METODOLOGI

Untuk membuat simulasi reaktor peleburan pasir zirkon maka dibuat gambar geometri reaktor peleburan sesuai dengan bentuk dasarnya menggunakan software gambit 2.2.30 dalam bentuk gambar 3 dimensi. Sket reaktor peleburan pasir zirkon dapat dilihat pada gambar 2.

Pada gambar 3 menggambarkan geometri reaktor peleburan pasir zirkon menggunakan

software gambit 2.2.30

Hasil perhitungan CFD memprediksi apa yang akan terjadi pada aliran gas dalam reaktor ditinjau dari hukum kekekalan momentum, kekekalan massa, maupun kekekalan energi[7]. Suhu operasi reaktor sekitar 700 0C dimana udara panas yang berada dalam reaktor berfungsi untuk

memanaskan campuran pasir zirkon dan NaOH. Umpan padatan dimasukkan dari salah satu ujung silinder karena pengaruh rotasi, ketinggian dan slope kemiringan, produk keluar dari salah satu ujungnya[9]. Rotary kiln diklasifikasikan sebagai

direct, indirect-direct, indirect, dan special types.

Istilah tersebut mengacu pada metode transfer panasnya, istilah direct digunakan pada saat terjadi kontak langsung antara gas dan solid[9]. Kecepatan aliran gas dalam rotary kiln yang ekonomis biasanya kurang dari 0,5 m/s[9].

Program Fluent 6.2 dijalankan dengan model single-phase, steady state, dan aliran laminar. Hasil simulasi dapat berupa profil kontur kecepatan aliran gas, vektor aliran gas dan kontur distribusi suhu dalam reaktor

.

1500 mm 100 mm 80 mm 1 3 0 m m 4 0 m m Inlet 1 4 0 m m Pemanas Putar Outlet Baffle 150 mm 150 mm 0 3

Gambar 2. Sket reaktor peleburan pasir zirkon alam

Gambar 3. Geometri reaktor peleburan

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pemanas langsung merupakan unit yang paling sederhana dan paling ekonomis. Unit ini digunakan pada saat kontak langsung antara padatan dan flue gas sehingga beban panas total harus diberikan dan diambil, maka diperlukan volume total dan kecepatan gas yang besar. Kecepatan gas yang ekonomis biasanya kurang dari 0,5 m/s[9]. Pada reaktor peleburan dibuat kemiringan reaktor sekitar 30 dengan kecepatan putaran reaktor sekitar 1 rpm dan dilengkapi

lifting flights dengan tipe radial flights sebanyak

16 buah. Kecepatan gas yang masuk reaktor peleburan kurang 0,5 m/s, digunakan sebagai patokan untuk variasi kecepatan alir pada inlet.

(4)

Aliran gas dalam reaktor terjadi secara

”co-current”, dimana aliran gas yang masuk searah

dengan gerakan masuk umpan yang dipanaskan. Gambar 4 memperlihatkan profil kontur aliran gas dalam rotary kiln dengan kecepatan gas masuk pada inlet sekitar 0,001 m/s dan 0,03 m/s.

Pada Gambar 4 kecepatan gas masuk ke dalam reaktor sekitar 0,001 dan 0,03 m/s. Kecepatan 0,001 m/s disesuaikan dengan kecepatan umpan material yang masuk ke dalam reaktor. Pada kecepatan ini distribusi aliran gas hampir tidak merata dalam reaktor. Kecepatan yang terlalu rendah menyebabkan reversed flow atau aliran balik dalam reaktor karena pengaruh tekanan dalam reaktor lebih besar daripada kecepatan aliran gas yang masuk. Hal ini terlihat pada daerah inlet kecepatan aliran gas hampir mendekati 0 m/s. Pada Gambar 4 kecepatan aliran 0,03 m/s, terlihat aliran gas dalam reaktor terdistribusi hampir diseluruh bagian dalam reaktor. Kecepatan udara yang masuk lebih besar daripada tekanan dalam reaktor sehingga tidak terjadi reversed flow. Distribusi aliran gas dalam reaktor dipengaruhi oleh putaran reaktor dimana bagian dalam reaktor terdapat lifting flights yang berfungsi sebagai pengaduk statis pada reaktor peleburan. Material yang dipanaskan terbawa oleh putaran reaktor pada lifting flights atau baffle kemudian pada posisi kemiringan tertentu material tersebut dijatuhkan. Pada saat dijatuhkan material terurai sehingga transfer panas dari gas ke material terjadi secara maksimal. Kecepatan gas dalam reaktor peleburan berpengaruh pada arah aliran gas terhadap arah aliran material. Jika aliran gas searah dengan aliran material maka aliran gas dapat memepercepat laju aliran material dalam reaktor. Pada Gambar 5 memperlihatkan kontur

kecepatan aliran gas dalam reaktor dengan kecepatan masuk sekitar 0,1 m/s dan 0,3 m/s.

Pada Gambar 5 terlihat distribusi kecepatan aliran gas tidak merata dalam reaktor. Kecapatan gas pada bagian atas lebih besar dari pada bagian bawah reaktor. Hal ini disebabkan karena kecepatan udara yang cukup besar menabrak baffle yang masih berada dibawah sehingga membelokkan aliran gas ke atas. Kecepatan aliran gas seperti pada Gambar 5 kurang baik diterapakan pada rotary kiln dengan jenis aliran searah. Hal ini disebabkan karena pada saat material terbawa oleh baffle maka saat jatuh material tersebut akan terdorong oleh hembusan aliran gas pemanas sehingga sudut jatuh material terhadap panjang reaktor akan melebar. Kecepatan aliran yang besar akan menyebabkan waktu tinggal material dalam reaktor menjadi berkurang. Kecepatan aliran gas yang besar baik diterapkan pada reaktor dengan aliran gas berlawanan arah, karena aliran gas dapat memperlama waktu tinggal material dalam reaktor. Selain itu kecepatan aliran gas yang besar akan menyebabkan kebutuhan energi yang besar, karena panas dalam reaktor akan banyak terserap oleh volume gas yang besar. Kecepatan aliran gas dalam reaktor disesuaikan juga dengan panjang reaktor

.

Pada Gambar 6 memperlihatkan arah aliran gas dalam reaktor pada kecepatan 0,03 m/s. Arah aliran gas dipengaruhi oleh kecepatan udara masuk, putaran reaktor dan baffle pada dinding dalam reaktor. Arah aliran ternyata dibelokkan oleh baffle pada dinding dalam reaktor. Semakin besar putaran reaktor maka ulakan gas yang terjadi semakin besar.

(5)

Gambar 5. Kontur aliran gas dalam reaktor dengan kecepatan masuk 0,1 m/s dan 0,5 m/s

Gambar 6. Vektor aliran gas kecepatan 0,03 m/s

(6)

Pada Gambar 7 terlihat kontur suhu pada berbagai kecepatan gas masuk. pada kecepatan gas 0,001 m/s distribusi suhu hampir merata dalam reaktor, akan tetapi pada posisi outlet udara luar masuk ke dalam reaktor. Pada outlet reaktor dikondisikan sebagai pressure outlet dengan tekanan sekitar 2 pa. Terjadinya aliran masuk melalui outlet disebabkan karena kecepatan gas masuk sangat kecil sehingga tidak mampu memberikan tekanan dalam reaktor. Pada kecepatan gas 0,03 m/s distribusi aliran gas cukup merata walaupun pada outlet masih ada sedikit udara luar yang masuk. Kecepatan udara berpengaruh pada distribusi suhu dalam reaktor. Pada kecepatan 0,1 m/s dan 0,3 m/s distribusi suhu kurang merata hal ini disebabkan karena volume udara masuk cukup besar sehingga panas yang terambil cukup besar juga.

KESIMPULAN

Dari hasil simulasi yang telah dilakukan diketahui bahwa fenomena kecepatan aliran gas pada proses peleburan pasir zirkon dalam reaktor dapat dilakukan dengan pemodelan menggunakan software fluent 6.2. Hasil simulasi menunjukkan bahwa distribusi aliran gas merata jika diberikan kecepatan aliran gas sekitar 0,03 m/s. Kecepatan aliran gas yang terlalu kecil akan menyebabkan

reversed flow dan tidak mampu memberikan

tekanan dalam reaktor. Kecepatan udara yang terlalu besar akan menyebabkan waktu tinggal dalam reaktor menjadi berkurang. Distribusi suhu pada kecepatan aliran gas 0,03 m/s cukup merata walaupun masih ada sedikit udara luar yang masuk melalui outlet reaktor. Besarnya kecepatan gas yang masuk ke dalam reaktor berpengaruh pada pemakaian energi reaktor.

DAFTAR PUSTAKA

1. NEZEKIEL,ST., Proses Perpindahan Panas Pada Dinding Rotary Kiln di PT. Indocement Tiga Roda, Universitas Guna Darma, Jakarta, 2009

2. IKA MONICA, SLAMET SOEPRAPTO,. Pengaruh Jumlah Umpan Terhadap waktu Tinggal dan Mutu Karbon Aktif Dari Semikokas Air Laya, Jurnal Teknologi Mineral dan Batubara Vol. 5 No. 14 hal 32-37, Bandung, 2009

3. J.P.HOLMAN, E.JASJFI., Perpindahan kalor, Erlangga, Jakarta, 1984

4. TEAM, Fluent 6.3., Tutorial Guide, Fluent Incorporated, Lebanon, 2004

5. LEVENSPIEL, O, Chemical Reaction Engineering, 3rd Edition, Departemen Of Chemical Engineering, Oregon State University, 1999

6. M.GEORGALLIS., NOWAK., M.SALUDEAN., I.S.GARTSHORE., Mathematical Modelling Of Lime Kilns, Department of Mechanical Engineering, University of British Columbia, Vancouver, Canada,1999

7. SUKARSONO,dkk., Variasi Kecepatan Aliran Gas Pada Proses Pelapisan Kernel UO2 Dengan Computational Fluid Dynamics (CFD) 8. ARIF JUMARI, AGUS PURWANTO., Design Of Rotary Dryer For Improving The Quality Of Product Of Semi Organic Phosphate Fertilizer, EKUILIBRIUM Vol 4 No. 2. UNS, 2005

9. PERRY.RH, DON GREEN., Perry’s Chemical Engineering Handbook, Mc.Graw Hill Book Co., Singapore 20.29 – 20.40, 1984

TANYA JAWAB

Aisyah MT - PTLR

 Apa tujuan dari simulasi ini jika dilihat tidak ada kaitannya antara distribusi aliran gas atau suhu dengan produk atau hasil leburan?

Pristi Hartati

 Tujuannya untuk memperkirakan distribusi

suhu didalam reaktor, diharapkan dengan mengetahui distribusi suhu yang homogen maka reaksi yang terjadi dapat merata disepanjang reaktor sehingga lebih optimum serta bias mendapatkan konversi atau recovery yang tinggi

Arif N - PTBN

 Beda proses microwave dengan rotary kiln menggunakan FCD dalam proses peleburan?

Pristi Hartati

 Microwave untuk proses catu sedangkan