Dust Collector (pengumpulan debu) - Spada UNS

Pemisahan Padat - Gas

Program Studi Teknik Kimia

Aida Nur Ramadhani, S.T., M.T.

SEPARATION OF SUSPENDED SOLID PARTICLES FROM FLUIDS

 Padatan dihilangkan dari cairan untuk memurnikan fluida, dan dalam

beberapa kasus, memurnikan padatan (bahan padat) yang merupakan produk.

 Padatan dihilangkan dari cairan  sedimentasi, filtrasi, dan pemisahan sentrifugal.

 Di sini, fokus pada penghilangan partikel padatan (bahan padat) yang tersuspensi dari gas.

Pustaka:

Urgensi pemisahan padat dari gas.

 Kebutuhan untuk menghilangkan debu dari gas:

→ Pengolahan gas buangan dari pabrik.

→ Proses di mana padatan dibawa ke dalam aliran uap atau gas.

contoh: pada sistem pneumatic conveyor

 Partikel yang relatif besar dengan kecepatan pengendapan sekitar > 0,3 m/s dapat melepaskan diri dari aliran gas.

 Dalam praktiknya, partikel debu berdiameter rata-rata sekitar 0,01 mm (10 µm) dan kecepatan pengendapan sekitar 0,003 m/s.

 Diperlukan waktu yang lama dan separator yang berukuran besar.

4 Dust Collector (pengumpulan debu) berkaitan dengan penghilangan / pengumpulan suspensi padat dalam gas, yang bertujuan:

 Mengontrol pencemaran udara; pemisahan abu terbang dari gas pembakaran power plant.

 Meringankan perawatan alat; filtrasi mesin intake udara atau dapur pirit pada pabrik asam sulfat dengan proses kontak.

 Menjaga keamaanan dan mengurangi bahaya kesehatan;

pengumpulan debu logam di sekitar alat grinding (pemecahan) atau drilling (pengeboran), debu tepung di miling (penghalusan) dan

pengepakan.

 Meningkatkan kualitas produk; udara bersih pada industri produk farmasi.

 Recovery material berharga; pengumpulan debu dari alat pengering dan smelters.

Note:

 Berbagai item peralatan beroperasi tumpang tindih sampai batas tertentu.

 Pilihan peralatan tidak hanya tergantung pada ukuran partikel, tetapi juga pada faktor lain, seperti: jumlah gas yang akan ditangani, konsentrasi

partikel, dan sifat fisik partikel.

Particle Dispersoids

 Particle dispersoids adalah suspensi partikel padat dalam gas.

 Faktor utama pemilihan atau perancangan alat pengumpul debu adalah sifat dari partikel tersebut  ukuran partikel.

 Fig. 17-34 (Pery, 7^th – 8th ed.) menunjukkan karakteristik dispersoids dan partikel lain dengan berbagai jenis peralatan yang berlaku untuk kontrol masing-masingnya.

 Karakteristik pembeda utama dari suspensi gas padat adalah ukuran partikel.

 Ada 2 jenis partikel terdispersi :

→ Dust (debu),

partikel berukuran lebih besar dari 1 mikron, dihasilkan dari operasi size reduction.

→ Fume (asap),

partikel berukuran lebih kecil dari 1 mikron, dihasilkan dari hasil pembakaran, sublimasi, dan kondensasi.

 Setelah terkumpul, partikel ini tidak dapat didispersikan lagi.

 Dari sudut pandang desain dan kinerja kolektor, sifat paling penting

yang terkait dengan ukuran partikel debu adalah perilaku dinamisnya.

 Partikel yang lebih besar dari 100 µm  dikumpulkan dengan metode inersia atau gravitasi sederhana.

 Partikel di bawah 100 μm  terjadi kesulitan dalam pengumpulannya, gas sangat viscous  resisten terhadap gerakan dalam gas.

 Untuk partikel tersebut, spesifikasi ukuran yang paling tepat adalah diameter pengendapan Stokes (the Stokes settling diameter), diameter partikel bola dengan densitas yang sama dan memiliki

kecepatan terminal yang sama dalam aliran viscous.

Pengukuran Partikel

 Pengukuran konsentrasi dan karakteristik debu yang tersebar di udara atau gas lain mungkin diperlukan:

1) untuk menentukan kebutuhan akan tindakan pengendalian,

2) untuk menetapkan kepatuhan dengan persyaratan hukum yang berlaku,

3) untuk mendapatkan informasi untuk desain kolektor, dan 4) untuk menentukan kinerja kolektor

 Sudah dipelajari di bab 1 dan 2.

Mekanisme pengumpul debu.

 Operasi dasar dalam pengumpulan debu adalah:

1) Pemisahan partikel yang terbawa gas dari aliran gas dengan pengendapan pada permukaan alat;

2) Penahanan deposit di permukaan alat; dan

3) Penghilangan deposit dari permukaan alat untuk recovery atau dibuang.

 Langkah-langkah pemisahan:

1) Penerapan gaya yang menghasilkan beda gerakan dari suatu partikel terhadap gas; dan

2) Menyediakan waktu tinggal gas, yang cukup untuk perpindahan partikel dari gas ke permukaan alat.

Beberapa Mekanisme Deposisi Partikel dari gas :

flow line interception

inertial deposition

diffusional deposition

gravity settling

electrostatic precipitation

thermal precipitation (jarang)

 Sebagian besar peralatan pengumpul debu menggunakan lebih dari satu mekanisme pengumpulan, dan dalam beberapa kasus mekanisme pengontrolan dapat berubah ketika pengumpul dioperasikan pada

berbagai kondisi.

 Maka, pengumpul debu lebih mudah diklasifikasikan

berdasarkan jenisnya, daripada berdasarkan dengan mekanisme dasar operasinya.

Performa Dust Collector.

 Collection Efficiency

collector yang baik :   1

masuk debu

massa

terkumpul debu

massa

 

 

 





 















1 ln 1

1

N

i

masuk debu

massa

lolos debu

massa

: unit transfer of

number

- 1 factor 1

ation decontamin

n

penetratio

→ collector yang baik :

→ Hubungan efisiensi dengan variabel – variabelnya secara teoritis

umumnya berbentuk fungsi exponensial, menghasilkan nilai Ni paling

   

  besar

besar sangat











N

i

unit transfer of

number

factor ation

decontamin n penetratio efficiency

0 1

1





17

Dust Collector

1. gravity settling chambers, 2. Impingement separators, 3. Cyclone separators,

4. mechanical centrifugal separators,

5. particulate scrubbers (wet collectors/scrubbers),

6. venturi scrubbers

7. self induced spray scrubbers, 8. plate towers scrubbers,

9. packed bed scrubbers, 10. mobile bed scrubbers,

1. spray scrubbers, 2. cyclone scrubbers,

3. ejector venture scrubbers, 4. mechanical scrubbers, 5. fiber bed scrubbers,

6. electrically augmented scrubbers, 7. dry scrubbing,

8. fabric filters/ bag filters/houses, 9. granular bed filters,

10. Air filters,

11. electrical precipitators.

1.

Gravity Settling Chambers

₁₉

→ Paling sederhana, gas dilewatkan suatu ruangan sehingga ada

pengurangan kecepatan gas dan partikel mengendap karena gaya gravitasi.

→ Untuk memisahkan partikel berukuran lebih besar dari 325 mesh ( 43 mikron).

→ Untuk memisahkan partikel yang lebih kecil, dibutuhkan ruangan yang sangat besar.

→ Digunakan sebagai pretreatment dust collector, sebelum masuk ke collector berefisiensi tinggi

20

→ Gas yang kaya debu partikulat masuk melalui inlet, dengan kecepatan

< 0,3 m/s.

→ Terjadi perubahan luas penampang, partikel debu turun secara gravitasi ke hopper bagian bawah.

→ Gas bersih bebas dari bahan partikulat keluar dari outlet.

21

• Perfomansi dari collector (Perry, 8^th edition) :

di mana

• Vs = kecepatan gas rata-rata

• Ut = kecepatan terminal (= vm) , Ls = panjang ruang , Hs= tinggi ruang.

• Bs = lebar ruang , q = debit gas (vol/wkt).

Vs <   >

(Coulson, Vol 2)

) ( butir kecil

U

_t

   

22

• Nilai ukuran partikel (diameter bola setara) terkecil yang dapat dipisahkan sepenuhnya (η = 1.0) dan dengan asumsi hukum Stokes (Perry, 8^th edition) :

• Untuk Vs tertentu, efisiensi tergantung pada penampang ruang (Ls dan Bs) dan tidak tergantung pada ketinggian Hs.

• Ketinggian yang diperlukan hanya cukup besar agar kecepatan gas Vs dalam

2

Inertia or momentum separators

23

→ Memanfaatkan beda momentum antara gas dan debu partikel.

→ Momentum partikel jauh lebih besar daripada gas, sehingga partikel tidak mengikuti aliran gas, jika arah gerakan tiba-tiba berubah.

Pd arah gas berubah tiba-tiba di ujung setiap penyekat.

24

→ Debu partikel akan turun ke bagian bawah.

→ Kecepatan gas harus diatur, sehingga tercapai pemisahan yang cukup efektif, agar partikel tidak kembali terbawa

aliran.

→ Separator terdiri dari sejumlah vessel - hingga 30 yang terhubung secara seri, dimana masing-masing aliran gas mengenai baffle pusat.

Cyclone separators

25

→ Jenis peralatan pengumpulan debu yang paling banyak digunakan.

→ Gas berdebu masuk cyclone dengan

kecepatan tinggi arah tangensial, sehingga berputar dalam cyclone.

→ Partikel debu terlempar ke dinding karena gaya sentrifugal, lalu jatuh ke bawah.

→ Digunakan untuk memisahkan partikel s/d 5 μm, bahkan 0,5 μm jika terjadi aglomerasi.

26

→ Percepatan gravitasi digantikan oleh percepatan sentrifugal.

→ Pada kondisi operasi yang biasa digunakan percepatan sentrifugal berkisar:

 dari 5 kali gravitasi untuk unit berdiameter besar dan resistansi rendah.

 hingga 2500 kali gravitasi untuk unit

27

Diameter partikel minimum yang bisa terambil oleh cyclone (teoritis) 28

_max = kecepatan masuk gas

N_s = jumlah putaran gas dalam cyclone (tergantung kecepatan gas)

Bc = lebar inlet

(Perry, 8^th edition)

 Saat efisiensi sebesar 50%  partikel berdiameter D_p,th dapat dikumpulkan.

 Jika Bc >> maka D_p,th >> , sehingga partikel kecil tidak terendapkan.

 Oleh karena itu, pada kapasitas besar dilakukan penambahan jumlah

Fabric Filter

29

→ Media filter berbentuk kain tenun atau kain tekstil yang dapat dibentuk seperti tabung atau ditopang kerangka besi yang sesuai.

→ Mampu menghilangkan partikel dengan ukuran hingga 1 μm.

→ Selama operasi akan terbentuk flok partikel yang menutup pori atau lubang serat kain, maka diperlukan pembersihan berkala untuk

menghindari penumpukan yang berlebihan.

→ Kecepatan gas harus dijaga tetap rendah, 0,005 hingga 0,03 m/s, untuk menghindari pemadatan flok dan akibatnya pressure drop tinggi, atau untuk menghindari kerusakan lokal.

30

→ Tipe paling sederhana.

→ Terdiri dari sejumlah filter yang dirangkai bersama dalam “bag filter”.

→ Unit termurah dan beroperasi

dengan kecepatan sekitar 0,01 m/s di seluruh permukaan bag.

31

32

reverse-jet filter

→ Kecepatan sekitar 0,05 m/s.

→ Dapat menangani debu konsentrasi tinggi dengan efisiensi tinggi.

→ Penggunaan blow ring memungkinkan cake

Electrostatic Precipitator (ESP)

33

→ Memanfaatkan gaya elektrostatik untuk mengendalikan debu 0,2-0,5 µm.

→ Prinsip utama sistem ini adalah menangkap atau mengikat debu dengan memberikan arus listrik tegangan tinggi pada kawat elektroda

bermuatan negative, sehingga debu akan termuati oleh muatan negatif.

→ Debu bermuatan negatif tersebut tertarik atau terikat pada plat-plat yang bermuatan positif, terpisah dari aliran gas bersih.

34

Scrubber

35

→ Digunakan cairan (umumnya air) untuk membantu pemisahan debu atau kabut dari gas.

→ Aliran gas yang mengandung debu pratikulat dilewatkan pada cairan, yang berfungsi sebagai penghalang, sehingga debu menempel lalu masuk ke cairan, mencegah terjadinya penempelan kembali, dan menghasilkan aliran gas bersih.

→ Penelitian membuktikan bahwa mekanisme paling dominan pada scrubber adalah Inertial Deposition.

36

37

→ Cairan didispersikan ke dalam gas sebagai spray, dan tetesan cairan tersebut merupakan alat pengumpul debu.

→ Scrubber dapat diadaptasi untuk mengumpulkan partikel halus maupun kasar  tergantung desain dan kondisi operasinya,

→ Prinsip kerja Scrubber terdiri 2 bagian : 1. contactor stage

• Cairan disemprotkan dan terjadi kontak antara cairan dan gas berdebu, sehingga debu tertangkap cairan

2. entrainment separation stage

• Cairan akan kaya akan kandungan debu – partikel

• Terdapat aliran gas bebas debu

→ Dua tahapan tersebut secara fisik bisa terpisah atau bisa menjadi satu bagian alat.

Berbagai macam Scrubber

38

 Ventury Scrubber

 Self - Induced Spray Scrubber

 Plate Tower

 Packed - Bed Scrubber

 Mobile - Bed Scrubber

 Spray Scrubber

 Cyclone Scrubber

 Ejector - Ventury Scrubber

 Mechanical Scrubber

 Fiber - Bed Scrubber

Packed bed scrubber

39

→ Packed bed scrubber memiliki kemungkinan terjadi buntu akibat deposit padatan dari debu.

→ Random packing (berl – saddle misalnya, paling mudah buntu).

→ Jika diinginkan absorbsi diikuti scrubbing, disarankan dipakai 2 alat.

1. Primary Stage: misal ventury scrubber  untuk menghilangkan sebagian besar debu

2. Secondary Stage: misal packed bed  untuk mengabsorbsi dan penghilangan sisa debu

→ Tipe Vertical : counter - current flow

→ Tipe Horizontal : cross - flow

40

Venturi scrubber

41

→ Paling sering digunakan

→ Low  High energy (Commonly: High)

→ Simplicity and Flexibility

→ Dapat digunakan sabagai absorber untuk gas yang mudah larut.

42

Spray scrubber

43

 Gas berdebu mengalir keatas dan berkontak dengan droplet cairan yang disemprotkan lewat beberapa rangkaian spray nozzles.

• Aliran gas bisa juga horizontal

• Pressure drop gas rendah

• Contacting power diperoleh dari kombinasi pressure drop cairan dan laju alir cairan

• Kebanyakan low - energy unit

• Pemisahan debu halus memerlukan perbandingan cairan : gas , sangat tinggi

• Plugging pada nozzle sering terjadi

• Perlu entrainment separator untuk mencegah carry - over cairan

44

Dry scrubbing

45

 Scrubbing dimana transfer massa terjadi antara fase gas dan liquidlike surface, dan output berupa gas dan solid-like ‘dry’ product.

 Proses umumnya lebih complicated, sering melibatkan adsorpsi atau reaksi kimia.

 Bisa untuk menyerap gas.

Penyerapan NO_x dengan spray drying dengan slurry Ca(OH)₂ dalam air

 NO_x terserap pada slurry droplets, kemudian air menguap, sehingga tersisa padatan Ca(OH)₂ yang menyerap NO_x secara kimiawi.

 Terbukti sistem ini lebih efektif dibanding dengan pemakaian activated carbon.

46

Cost of Dust Collector

 Pemilihan sistem / peralatan yang cocok sangat dipengaruhi aspek ekonomi (biaya).

 Biaya :

1. Equipment Cost 2. Operating Cost

 Perlu perhitungan teliti.

 Grafik / data empiris berikut diharapkan bisa memberikan guidelines untuk estimasi kasar.

Fig 20-152 (Perry, 1973) 48

Fig 20-153 (Perry, 1973) 49

Fig 20-154 (Perry, 1973) 50