Makalah Penelitian
Kashif Javed, Vinoj Kurian, Amit Kumar*
Kanada, T6G 1H9
2020; Chapman dkk., 2018; NASA; Zidansek dkk., 2009).
Kebutuhan energi yang terus meningkat dan pembangunan di banyak sektor di seluruh dunia bertanggung jawab atas peningkatan jejak karbon dan ketergantungan yang besar pada bahan bakar fosil. Konsentrasi CO2 di atmosfer meningkat sekitar 11% antara tahun 2005 dan 2021 dan diperkirakan akan meningkat di masa depan meskipun terdapat beberapa inisiatif energi terbarukan di banyak sektor energi di seluruh dunia (Abas et al., 2015; Bragg- Sitton et al.,
https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2022.10.013
1537-5110/© 2022 IAgrE. Diterbitkan oleh Elsevier Ltd. Hak cipta dilindungi undang-undang.
Secara global, sektor transportasi sendiri bertanggung jawab atas 15% total emisi gas rumah kaca dunia (Lamb et al., 2021). Dibandingkan dengan sumber daya energi terbarukan lainnya, biomassa merupakan cara yang layak untuk mengurangi jejak karbon karena dua faktor penting: pertama, bersifat netral karbon dan kedua, biomassa dapat langsung digunakan untuk memproduksi berbagai jenis biofuel dan bahan kimia pada energi berbasis bio. fasilitas (Pootakham & Kumar, 2010). Ada potensi besar biomassa di negara-negara seperti Kanada yang memiliki lahan pertanian luas
Departemen Teknik Mesin, Universitas Alberta, 10-263 DICE, 9211-116 Street NW, Edmonton, AB,
Alamat email: Amit.Kumar@ualberta.ca (A.Kumar).
6 Oktober 2022
Efek bahan baku
* Penulis yang sesuai.
solusi untuk masalah ini. Aliran ke atas dari bubur berair brangkasan jagung cincang (juga dikenal sebagai brangkasan jagung) melalui bagian pipa vertikal dengan panjang 29 m, diameter 50 mm dalam lingkaran pipa tertutup telah dipelajari. Penurunan tekanan gesekan bubur brangkasan jagung diukur pada beberapa ukuran partikel (dari <3,2e19,2 mm), konsentrasi padatan bubur (5 e40% [massa]), dan kecepatan bubur (0,5e4,3 m s1 ) . Hasilnya dianalisis dan dibandingkan dengan jerami gandum. Untuk konsentrasi dan laju aliran tertentu, ukuran partikel, bentuk, dan fleksibilitas merupakan faktor yang paling mengurangi hambatan, yang merupakan faktor tertinggi (sebesar 32%) untuk ukuran partikel terbesar pada brangkasan jagung. Untuk kecepatan 2,5 m s1 (selain
ukuran partikel 3,2 mm s1) lebih efektif dalam mengurangi hambatan dibandingkan jerami gandum, sedangkan pada kecepatan lebih rendah (2,0 m s1 ), jerami gandum mempunyai pengaruh yang lebih besar (selain 19,2 mm). Hasil konsentrasi kritis untuk pengurangan hambatan maksimum, kecepatan permulaan, konsentrasi ambang batas untuk kecepatan permulaan minimum, dan variasinya sehubungan dengan ukuran partikel, jenis partikel, dan konsentrasi bubur memberikan wawasan baru yang
memerlukan penyelidikan lebih lanjut pada pipa berdiameter lebih besar. Hasilnya akan bermanfaat bagi desain dan pengoperasian transportasi biomassa melalui pipa jarak jauh.
Bubur berair biomassa Diterima dalam bentuk revisi
Perilaku gesekan , Diterima 3 Februari 2022
Peningkatan skala biorefinery untuk bersaing dengan produksi bahan bakar fosil dibatasi oleh tingginya biaya transportasi biomassa lignoselulosa melalui darat. Transportasi pipa hidro dari biomassa sisa pertanian atau hutan ke biorefinery bisa menjadi cara yang hemat biaya dan berkelanjutan.
Aliran vertikal ke atas
suspensi brangkasan jagung Sejarah artikel:
Kata kunci:
© 2022 IAgrE. Diterbitkan oleh Elsevier Ltd. Hak cipta dilindungi undang-undang.
Diterbitkan online 3 November 2022
Biorefinery
Diterima 18 Oktober 2022
Rasio aspek partikel
Sains Langsung
beranda jurnal: www.elsevier.com/locate/issn/15375110
Perkenalan 1.
Perbandingan aliran bubur jagung dan jerami gandum pada pipa vertikal
Tersedia online di www.sciencedirect.com
informasi artikel
maks
X nc
Bx
Q3 Q3 dFE
tanda tangan
Xig;w rs
vm Px
Cm
Ux Xig haV CV
menit dc mf d50
rm
bagian pipa pada berbagai kemiringan (Abulnaga, 2002; Wilson
dieksplorasi lebih lanjut, misalnya, perilaku gesekan
konsentrasi massa (% massa)
Q
dengan bahan bakar fosil) (Vaezi et al., 2014, 2015; Vaezi & Kumar, pengurangan
kepadatan bubur, konsentrasi dan kecepatan bubur, dan arah aliran bubur (yaitu, ke atas atau ke bawah) (Wilson
suspensi, cairan pembawa, rasio kepadatan antara
pembentukan flok, kekuatan jaringan serat, dan aliran Hambatan terbesarnya adalah tingginya biaya transportasi darat
distribusi partikel fraksi nomor serat
gesekan daripada air, dan daerah aliran transisi dan turbulen menunjukkan lebih sedikit gesekan suspensi dibandingkan air. Aliran ini
kepadatan partikel padat (kg m3 )
plot faktor gesekan yang diperoleh secara eksperimental terhadap bilangan Reynolds umum yang sesuai dan periksa
(satuan yang sesuai)
perilaku suspensi serat, jenis gaya pada kontak serat, pembangkit listrik berbahan bakar fosil (Kumar dkk., 2005a, 2005b). Itu
bubur biomassa-air dalam jarak jauh perlu dilakukan
kecepatan penyelesaian terminal (m s1 )
N
pengaturan pipa (Vaezi et al., 2014, 2018; Vaezi & Kumar,
tergantung pada berbagai faktor seperti jenis dan ukuran partikel,
fitur, rasio aspek serat, konsentrasi suspensi, kecepatan suspensi, viskositas semu
konsentrasi massa kritis untuk drag maksimum
perilaku segala jenis suspensi serat dalam pipa adalah ketidakpastian presisi (unit yang sesuai)
ketidakpastian total, ðUx ¼
DXX
masing-masing persentil XX dari kumulatif CS
untuk produksi biofuel pada skala komersial (setara dengan diameter dalam pipa (m)
diameter partikel rata-rata (mm)
suspensi (yaitu, alami atau sintetis) telah berfokus pada pemahaman perilaku gesekannya (Bobkowicz & Gauvin,
kondisi (Luettgen et al., 1991; Radin et al., 1975; Steen, 1989;
kabel terpendek, mm
bagian vertikal.
Reg vt
lebar rata-rata grafis (mm)
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
transportasi hidro biomassa sisa pertanian melalui Distribusi kumulatif berdasarkan volume, %
jarak jauh harus, tergantung pada topografi, termasuk
polivinilklorida
serat dan cairan pembawa, dan diameter pipa, dll. (Cotas, deviasi standar grafis, mm
memberikan pengetahuan dasar tentang karakteristik pengurang hambatan Kadar air MC, (% massa)
PðB2
2014a, 2014b). Selain itu, eksperimen telah membuktikan hal itu
Studi tentang aliran vertikal ke atas dari serat yang berbeda viskositas dinamis fluida (Pa s)
biomassa karena kepadatan curahnya yang rendah (Vaezi et al., 2015). Ini
sifat suspensi serat (Kerekes, 2006). Beberapa pendekatan telah digunakan untuk menggambarkan perilaku suspensi serat, dan sebagian besar pendekatan tersebut berfokus pada evaluasi
dkk., 2006). Untuk mengevaluasi secara akurat ukuran dan biaya a
bahan baku biomassa residu pertanian yang berbeda melalui
kecepatan curah campuran (bubur) (m s1 ) N
pemancar tekanan diferensial
daerah muncul untuk rentang bilangan Reynolds tertentu dan DPT
2014b), namun transportasi pipa slurry berbahan dasar padat di atas a
pengembangan daerah aliran pada petak-petak tersebut pada berbagai aliran rasio aspek partikel
Diameter musang, mm
daerah aliran (aliran sumbat, aliran transisi, dan aliran turbulen) masuk
daerah aliran turbulen) dari suspensi serat. Evolusi panjang rata-rata grafis (mm)
jaringan), membuat penangguhannya cukup rumit dan sulit
%DR persentase pengurangan tarikan
Transportasi hidro dari pertanian dan hutan yang dicincang
sifat berbagai jenis dan ukuran bahan melalui
ketidakpastian bias (unit yang sesuai) Tata nama
sebagian besar ditemukan di fasilitas pemrosesan di tempat. Lagi
tongkol jagung/jagung
dQ3=dx), % mm1
juga menemukan bahwa serat dengan permukaan tidak beraturan dan lebih besar nomor kerumunan
Walmsley & Berry, 2001). Radin dkk. (1975) membahas tiga nomor kontak serat
þ P2 xÞ
pipa tidak mempengaruhi komposisi kimianya konsentrasi volumetrik (% volume)
1965; Kerekes, 1971; Radin dkk., 1975). Dalam praktiknya, suspensi serat tidak seragam selama aliran dan mengandung empat jenis partikel secara bersamaan (serat, floccette, flok, dan
distribusi ukuran partikel
2016; Kazi dkk., 1999; Radin dkk., 1975)). Radin dkk. (1975) juga secara langsung relevan dengan yurisdiksi lain di seluruh dunia.
jaringan pipa jarak jauh, sangat penting untuk memahami dan mengukur perilaku gesekan dan reologi
(yang terutama terkait dengan aliran transisi dan jerami gandum WS
distribusi frekuensi berdasarkan volume (q3 ¼
bagian pipa pada beberapa kemiringan. Bagian pipa vertikal
pipa vertikal karena pengaruh gravitasi, dan jumlahnya
ðCmÞcr
Aspek lain dari perilaku gesekan suspensi serat adalah memahami reologinya dengan mengidentifikasi rezim
dan hutan (Kumar et al., 2003); namun, biorefinery saat ini memproduksi biofuel dengan kapasitas yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan kapasitas produksi biofuel
ukuran partikel dan konsentrasi melalui bagian pipa vertikal. Wilayah aliran sumbat menunjukkan suspensi serat yang lebih besar
suspensi serat, fleksibilitas serat dan permukaannya
pada perpipaan bahan baku biomassa sebagian besar berfokus pada horizontal jarak rata-rata antar serat
untuk menganalisis (Duffy, 2006). Salah satu cara untuk menggambarkan gesekan
cara penyampaian biomassa yang paling berkelanjutan dan ekonomis bilangan Reynolds umum ððrmvmDÞ =ðmfÞÞ
dkk., 2006). Dengan demikian, beberapa aspek transportasi pipa
PSD
Daerah aliran ini tergantung pada beberapa faktor (jenisnya AR
daya pemompaan diperlukan untuk mengangkut bubur padat
Feret atau diameter kabel terpendek dalam mm at
aliran ke atas dari berbagai suspensi serat-air rayon PVC
bubur (Ghatora et al., 2016). Investigasi skala laboratorium
TH,
D
fleksibilitas menunjukkan pengurangan drag yang lebih tinggi.
massa jenis campuran (kg m3 )
residu biomassa melalui pipa dalam jarak jauh dapat menjadi penyebab
2.1. Pengaturan eksperimen
terbatas pada ukuran partikel tertentu, terutama untuk brangkasan jagung yang tidak diolah (Knutsen & Liberatore, 2009; Pimenova &
Hanley, 2003; Samaniuk et al., 2011; Szeto et al., 2021; Viamajala et al., 2009). Sejauh pengetahuan penulis, belum ada penelitian yang dilakukan untuk memahami pengaruh ukuran partikel dan konsentrasi pada perilaku gesekan aliran bubur berair brangkasan jagung melalui pipa vertikal.
Untuk menyelidiki daerah aliran dan kondisi pengurangan hambatan dalam bubur air brangkasan jagung.
Pemasangannya terdiri dari loop pipa tertutup sepanjang 29 m, diameter dalam 50 mm, pompa lumpur sentrifugal (CD80M; God- win Pumps Ltd., Bridgeport, NJ, USA) yang dihubungkan ke motor listrik 7,45 kW (CC 068A; Madison Industrial Peralatan, Van-couver, BC, Kanada) untuk memompa lumpur, bagian pipa transparan baja karbon dan polivinilklorida (PVC) Schedule 40, penukar panas (KEZA030H8; KeepRite Refrigeration Corp., ON, Kanada) untuk menjaga suhu lumpur, aliran magnet meter (FMG-424; Omega Eng., Stamford, CT, USA) untuk pengukuran kecepatan slurry, bagian visualisasi aliran, setengah lingkaran dan 90 tikungan pipa, sensor suhu (RTD-E; Omega Eng., Stamford, CT, USA) untuk mengukur suhu slurry, bagian pipa PVC fleksibel, pemancar tekanan diferensial (Fuji Electric Ltd-Model: FKCT22V55) yang dihubungkan ke pipa vertikal untuk pengukuran penurunan tekanan slurry biomassa, dan tangki pencampur yang dihubungkan ke mixer impeler ganda 0,37 kW (EV6P50M; Lightning Inc., Rochester, NY, USA) untuk pencampuran bubur. Bagian uji vertikal sepanjang 0,508 m terletak 2,14 m di hilir tikungan 90 untuk menghilangkan
Penelitian mengenai aliran vertikal ke atas dari bubur berair biomassa lignoselulosa masih terbatas. Dalam penelitian terbaru kami, kami mengeksplorasi pengaruh ukuran partikel, konsentrasi bubur, dan kecepatan bubur pada perilaku gesekan bubur berair jerami gandum yang mengalir melalui bagian pipa vertikal (D ¼ 50 mm) dalam pipa sirkuit tertutup sepanjang 29 m. fasilitas. Kami menemukan bahwa bubur jerami gandum dari semua ukuran partikel kecuali yang halus (yaitu, <3,2 mm) menunjukkan pengurangan hambatan untuk semua rentang laju aliran dan konsentrasi massa jenuh (5e20%). Dengan demikian, sebagian besar suspensi menunjukkan karakteristik transisi atau transisi dan daerah yang sepenuhnya bergejolak (Javed et al., 2021, 2022). Pengurangan drag meningkat dengan meningkatnya ukuran partikel dan konsentrasi untuk kecepatan bubur tertentu. Untuk konsentrasi massa yang lebih tinggi (yaitu, 25%), sebagian besar bubur menunjukkan daerah aliran sumbat dan aliran transisi, kecuali untuk beberapa partikel berukuran lebih kecil (yaitu, 3,2 dan <3,2 mm), yang menunjukkan aliran sumbat untuk laju aliran lengkap jangkauan. Selain itu, kami mengukur konsentrasi yang dihasilkan dari semua ukuran partikel bubur jerami gandum dan menemukan penyimpangan terbesar dari konsentrasi yang disiapkan adalah 10%, yang dapat diabaikan. Penulis juga menemukan bahwa konsentrasi yang diberikan dari semua suspensi jerami gandum kira- kira sama dengan konsentrasi in situ pada bagian pengujian vertikal (Javed et al., 2021, 2022). Partikel brangkasan jagung memiliki permukaan dan bentuk yang tidak beraturan, memiliki kelenturan memanjang yang lebih besar, dan kira-kira 7 kali lebih kasar dibandingkan jerami gandum (Vaezi et al., 2013). Vaezi (2014) melaporkan kepadatan massa jenuh brangkasan jagung cincang serupa dengan jerami gandum. Reologi suspensi air brangkasan
jagung yang diolah secara kimia dan tidak diolah telah dipelajari dengan menggunakan berbagai jenis rheometer; Namun, penelitian ini Untuk mengetahui pengaruh ukuran partikel terhadap perilaku gesekan bubur air brangkasan jagung pada berbagai konsentrasi dan kecepatan.
Pengaturan eksperimental yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1.
(Dodson, 1996; Kerekes dkk., 1985; Kerekes & Schell, 1992; Pan, 1993; Philipse, 1996; Soszynski, 1987 ). Kerekes dkk. mendefinisikan crowding number (N) sebagai jumlah serat dalam volume terkontrol yang dibuat dengan menyapu panjang serat serupa di sekitar pusatnya (Kerekes et al., 1985). Kemudian, Kerekes dan Schell (1992) dan Soszynski (1987) menetapkan rentang angka crowding untuk mengenali rezim encer (tabrakan kebetulan), semi-konsentrasi (tabrakan paksa), dan rezim terkonsentrasi (kontak kontinu) dari suspensi serat. N < 1, 1 < N < 60, dan 60 < N, masing-masing.
Mengingat temuan beberapa peneliti (Kerekes & Schell, 1992; Pan, 1993; Soszynski, 1987 ), Dodson (1996) mencoba mengukur pengaruh karakteristik serat pada flokulasi untuk memprediksi kinerja serat dalam susun dengan lebih baik. pensiun. Dia mempertimbangkan susunan acak serat dalam ruang dan
mendefinisikan nc sebagai jumlah kontak serat yang diharapkan per potongan serat dalam satuan volume. Dodson (1996) juga
menemukan bahwa suspensi serat berada dalam rezim terkonsentrasi untuk nc 3.0, di mana flok atau jaringan koheren akan dikembangkan. Kriteria yang ditentukan oleh Kerekes dan Schell (1992) dan Kerekes (2006) untuk identifikasi rezim didasarkan pada rentang konsentrasi spesifik (0,017e15% massa) serat dengan panjang dan diameter seragam dengan rasio aspek 20e100 yang digunakan dalam pembuatan kertas, sedangkan biomassa partikel yang digunakan oleh Vaezi et al. (2014) dalam transportasi air pipa memiliki konsentrasi massa yang tinggi (5e40%) dan distribusi ukuran partikel spesifik dengan rasio aspek kecil (2.9e6.3) (Vaezi et al., 2014). Untuk menentukan rezim perilaku suspensi serat untuk
bubur biomassa, diperlukan rentang N yang berbeda dari yang digunakan oleh Kerekes dan Schell (1992) .
Penelitian saat ini secara eksperimental menyelidiki transportasi hidro bubur jagung dalam arah ke atas melalui bagian pipa vertikal dan mengeksplorasi faktor-faktor kunci yang mempengaruhi reologi bubur selama aliran. Tujuan spesifiknya adalah:
Untuk mengetahui pengaruh ukuran partikel, konsentrasi, dan jenis bahan baku terhadap kecepatan awal pengurangan drag.
nomor crowding tak berdimensi (N) atau nomor kontak (nc)
efek tikungan (Enayet et al., 1982; Ito, 1960; Kalyanraman et al., 1973; Kim et al., 2014). Semua instrumen terhubung ke sistem akuisisi data (NI9219; National Instrument Corp., Austin, TX, USA) dan program (LabView V.9.0.1f2; National Instrument Corp., Austin, TX, USA) untuk perekaman dan data online pengolahan. Rincian lebih lanjut mengenai peralatan dan pengaturan eksperimental dapat dilihat pada karya penulis sebelumnya (Javed et al., 2021, 2022; Vaezi et al., 2013, 2014).
Untuk membandingkan perilaku gesekan suspensi brangkasan jagung dan jerami gandum-air dengan ukuran partikel dan konsentrasi yang berbeda pada kondisi aliran yang sama.
2. Metode
Kalibrasi 2.2.
Gambar 2 e (a) Kalibrasi pemancar tekanan diferensial dan (b) penurunan tekanan gesekan vs. kecepatan curah air dan pasir halus melalui bagian uji vertikal.
Bagian uji vertikal dikalibrasi dengan mengukur penurunan tekanan gesekan air dan pasir halus (d50 ¼ 0,103 mm; rs ¼ 2500 kg m3 ) bubur berair (pada konsentrasi volumetrik yang diketahui) pada kecepatan berbeda dan membandingkan hasilnya dengan kecepatan yang sesuai. korelasi yang tersedia dalam literatur
(Churchill, 1977; Newitt et al., 1961).Kesepakatan yang baik ditemukan antara pengukuran eksperimental dan teoritis [seperti yang ditunjukkan pada
Gambar.2 (b)], yang menunjukkan kinerja akurat dari bagian uji vertikal.
Gambar 1 e Skema fasilitas pipa sirkuit tertutup.
Pengukur aliran elektromagnetik dikalibrasi melalui analisis laju aliran volume yang disampaikan (atau uji ember)
(Spelay, 2007).Prosedur lengkap dan hasil pengujian bucket dijelaskan pada pekerjaan kami sebelumnya
(Javed et al., 2022).Pemancar tekanan diferensial (DPT) dikalibrasi melalui uji bangku. Kesepakatan yang sangat baik ditemukan antara tekanan yang diterapkan pada lubang masuk DPT dan tekanan
keluaran yang diukur oleh DPT, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar2 (a).
Analisis ukuran partikel 2.3. Persiapan bahan baku
2.4.
dFE maks
Distribusi ukuran partikel beberapa ukuran brangkasan jagung
brangkasan jagung dan jerami gandum diperoleh dari Camsizer
perangkat lunak untuk menampilkan data kami. Data lengkap untuk satu sub- sampel setiap ukuran partikel nominal kedua bahan baku yang diperoleh dari analisis Camsizer diberikan pada Tabel A di bagian
dan DC min
berdasarkan kehalusan subsampel masing-masing kelompok digiling dengan pemotong pabrik pisau (pabrik SM-100; Retsch Inc., Sur-rey,
BC, Kanada). Bahan tanah diklasifikasikan dengan a
Distribusi ukuran partikel (PSD) dan analisis bentuk jagung
partikel stover yang ditangkap oleh kamera berkecepatan tinggi adalah
banyak ukuran sesuai kebutuhan dalam kelas ukuran yang dapat direpresentasikan
Setiap subsampel dari setiap ukuran nominal dipandu oleh getaran
AR ¼ dc mnt dua sub-sampel. Setiap subsampel dilewatkan lagi
versi 4.1) sesuai dengan pilihan tertentu
Perangkat lunak Camsizer menganggap rasio aspek partikel sebagai pengklasifikasi ke nomor tertentu. Perlu disebutkan di sini
saringan pengklasifikasi dan digunakan dalam penelitian sebelumnya oleh Vaezi
dan <3,2 mm) diambil sampelnya menggunakan riffle splitter. Yang utama
Bagian informasi tambahan . Tabel data lengkap
Setiap nilai pada Tabel 1 dievaluasi dengan mengambil rata-ratanya partikel pada sudut sembarang, dan dc min adalah yang terpendek
partikel diidentifikasi dengan jelas di bidang pengukuran dan
diameter tali busur terpendek, dan bentuk partikel terkait lainnya
panjang melebihi lebar (Lam et al., 2008; Schroeder et al., 2020), kami menyajikan penelitian untuk masing-masing dari empat kelompok partikel dengan
diameter kabel (dc min), distribusi kumulatif (Q3) dan distribusi frekuensi (q3
¼ dQ3=dx) berdasarkan volume, dan
sampai kami memperoleh jumlah subsampel yang cukup (proporsi yang mewakili sampel utama) untuk digunakan dalam Cam-sizer. Pemilihan ukuran populasi akhir dari
sebesar 9,104 mm dan
parameter (“Retsch Technology GmbH. Petunjuk pengoperasian/Sistem analisis ukuran partikel manual Camsizer®,”).
rasio antara tali terpendek dan diameter Feret;
bahwa keempat ukuran nominal tersebut bukanlah angka representasi aktual
dari dimensi riil keempat kelompok tersebut dan jerami gandum ditunjukkan pada Gambar 4.
analisis menggunakan distribusi kumulatif Feret atau diameter kabel terpendek tercantum pada Tabel 1. Dimensi D10,
pengklasifikasi (BM&M Inc., Surrey, BC, Kanada) menjadi empat nominal
bagian atas riffle splitter untuk membagi sampel utama menjadi empat bilah dan stator (rumah bagian dalam pemotong gilingan).
ukuran partikel yang lebih kecil, riffle splitter yang digunakan rata-rata 5e6
Misalnya, kelas ukuran 3 untuk ukuran partikel nominal
ditunjukkan pada Gambar 3.
berbagai jenis ukuran seperti ukuran saringan atau milimeter.
subsampel sepenuhnya bergantung pada ukuran partikel untuk menjaga jangka waktu tetap masuk akal (yaitu, 3e6 menit).
dkk. (2013). Istilah ukuran nominal digunakan untuk menunjuk masing-masing
sampel dari kelompok tertentu pertama kali melewati bagian atas
(Tabel A di bagian Informasi tambahan) untuk a
dari hasil parameter yang sesuai dari ketiganya
didigitalkan. Gambar yang direkam diproses dan dievaluasi
ukuran nominal (19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm) dari Stover dilakukan melalui Camsizer yang menggunakan dinamis
saluran yang menjatuhkan partikel biomassa individu secara gravitasi ke dalamnya
mewakili rasio aspek (AR) partikel biomassa penyelidikan sebelumnya oleh Vaezi et al. (2013). Bal stover jagung terdiri
dari batang, daun, dan tongkol. Menghindari
rasio aspek (dc min=dFE max), dll. (“Retsch Technology Gmbh.
faktor (yaitu, rasio aspek, sirkularitas, kebulatan, simetri, Dengan Camsizer, beberapa karakteristik partikel
Untuk kelas ukuran tertentu masing-masing ukuran nominal tertentu
namun, berdasarkan karya Vaezi dkk. (2013) dan standar
Tingkat perolehan gambar dari kedua kamera digital berkecepatan tinggi partikel. Ukuran nominal dalam penelitian ini digunakan
subsampel. Prosedur ini diulangi secara bergantian
kumpulan tali busur terpanjang yang diukur dari proyeksi partikel
kali untuk mendapatkan subsampel akhir. Masing-masing tiga subsampel
(1) 19,2 mm brangkasan jagung [Gbr. 4(a)] memiliki persentase kumulatif masing- masing 53,2% dan dFE 3,237
mm (Tabel A dalam Tabel Tambahan Kompor jagung kering (Zea mays L.) bal dipanen pada tahun 2018 di
menggunakan Persamaan. (1):
merusak bilah pemotong penggilingan pisau, tongkol jagung itu
Karakteristik Camsizer 2009,”). Diameter Feret adalah
dll.) untuk persentil berbeda dari distribusi kumulatif
Untuk sampel sto-ver jagung berukuran lebih besar (19,2 mm), riffle splitter digunakan rata-rata 4 kali (yaitu, 1/16
adalah 60 gambar s1 . Gambar mikroskopis khas jagung
D50, dan D90 pada tabel mewakili tanggal 10, 50, dan 90 ukuran 19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm di laboratorium
Kelas ukuran adalah ukuran yang kami pilih di Camsizer
pemrosesan gambar digital untuk menghasilkan PSD dan morfologi material
pembukaan slot di Camsizer, di mana mereka mencapai bidang pengukuran (dengan dua kamera digital berkecepatan tinggi dan lampu
ukuran nominal brangkasan jagung disiapkan untuk analisis PSD.
Jumlah partikel yang digunakan dalam Camsizer untuk penelitian saat ini adalah sekitar 0,05e3,6 juta partikel
Peternakan Sereda dekat Rolling Hills di tenggara Alberta berada
bahan baku [Gbr. 4(a)], ada kumpulan diameter Feret yang berbeda,
praktik menyajikan rasio aspek partikel biomassa sebagai dievaluasi termasuk diameter Feret (dFE max), terpendek
pembagi riffle ke dalam dua panci pengumpul untuk membaginya
dalam perangkat lunak Camsizer (perangkat lunak Retsch Particle Library
ukuran nominal tertentu dari bahan baku apa pun menunjukkan q3 (dalam persentase) yang diperoleh untuk setiap kelas ukuran yang dipilih selama analisis gambar yang ditangkap oleh Camsizer. Mungkin ada sebagai
subsampel untuk ukuran nominal tertentu dari bahan baku yang khas.
,”Retsch Technology Gmbh. Karakteristik Camsizer 2009,”).
bagian informasi ). Beberapa ciri morfologi sekelompok partikel yang diperoleh dalam empat saringan paling bawah
sumber) dan diproyeksikan. Area biomassa yang diproyeksikan tidak digiling, mengingat jarak bebas antar rotor sangat kecil
bagian dari sampel utama), sedangkan untuk sampel
didefinisikan sebagai jarak terpanjang antara dua garis singgung sejajar
(Tabel A di bagian informasi tambahan). Untuk hanya untuk membandingkan morfologi partikel yang diperoleh di kami
panci di setiap sisi riffle splitter (untuk menghilangkan bias samping)
persentil dari distribusi kumulatif parameter yang bersangkutan (yaitu, Feret atau diameter kabel terpendek).
skala. Ukuran ini dipilih karena ukuran bukaannya
(Horiba). Sampel dari masing-masing kelompok (19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm,
maks
Curl adalah perbandingan antara diameter Feret dan panjang partikel.
Soliditas adalah perbandingan antara luas sebenarnya dari partikel dan luas yang dicakup oleh lambung cembung terkecil yang menampung partikel tersebut. Soliditas sama dengan 1 untuk partikel cembung tanpa lubang.
Vaezi dkk. (2013) menganalisis distribusi ukuran partikel, fitur kekasaran permukaan, dan faktor bentuk partikel jerami gandum dan brangkasan jagung yang digiling dengan pisau lebih besar (<3,2 mme19,2 mm) dibandingkan yang dipelajari oleh Gil et al. (2013) dan Gil dkk. (2014). Vaezi dkk. (2013) menemukan bahwa partikel brangkasan jagung memiliki nilai parameter kekasaran yang lebih tinggi (yaitu, kekasaran rata-rata, puncak tertinggi, lembah terendah, dan tinggi puncak/lembah maksimum) dibandingkan dengan jerami gandum. Penulis juga menemukan bahwa jagung
Partikel brangkasan mempunyai sirkularitas yang lebih sedikit tetapi lebih bulat dibandingkan partikel jerami gandum. Namun, mereka tidak menganalisis bentuk partikel biomassa dengan kriteria khusus yang digunakan oleh Gil et al.
(2014).
berserat (AR > 3.3; soliditas > 0.7), kait (1.15 < AR < 3.3; soliditas < 0.7), dan kait berserat (AR > 3.3; soliditas < 0.7). Bentuk persegi panjang memiliki persen massa tertinggi dan partikel berserat kait memiliki persentase massa tertinggi kedua (Gil et al., 2013, 2014).
Gambar 3 e Gambar kamera Microscopic Camsizer (bukan untuk diskalakan) brangkasan jagung dengan ukuran nominal: (a) 19,2 mm, (b) 6,4 mm, (c) 3,2 mm, dan (d) <3,2 mm.
Brangkasan jagung giling yang diperoleh melalui penggilingan pisau terdiri dari beberapa jenis partikel yang bentuknya tidak seragam dengan rasio aspek yang berbeda-beda. Gil dkk. melakukan analisis bentuk brangkasan jagung giling dan mengidentifikasi enam bentuk partikel yang berbeda: lingkaran (AR < 1,15; ikal1
< 1,15), persegi (AR < 1,15; ikal > 1,15), persegi panjang (1,15 < AR < 3,3;
soliditas2 > 0,7), persegi panjang
Dalam penyelidikan kami saat ini, kami mencoba mengkategorikan partikel- partikel brangkasan jagung yang telah diklasifikasi sebelumnya baik secara kuantitatif maupun kualitatif berdasarkan penampilan fisik (yaitu, bentuk, ukuran, dan kekasaran permukaan). Kami secara acak mengambil dua sampel berukuran 10 g (massa) dengan ukuran nominal 19,2 mm dari kompor jagung yang telah diklasifikasi sebelumnya dan kemudian secara manual memisahkan jenis partikel yang berbeda dari masing-masing sampel dengan sangat hati-hati untuk menghindari hilangnya material selama pemisahan untuk mendapatkan persentase massa yang tepat. Kami kemudian mengidentifikasi tujuh subkategori partikel di setiap sampel. Karena prosesnya memakan waktu dan melibatkan banyak hal kedua bahan baku. Pemilihan partikel dalam jumlah besar untuk analisis
menunjukkan keandalan dan ketepatan hasil yang diperoleh dari peralatan ini.
Grafik panjang rata-rata (Xig) dan grafik deviasi standar (sig) untuk setiap ukuran partikel dari kedua bahan baku yang diberikan pada Tabel 1 dievaluasi menggunakan pendekatan aritmatika yang dijelaskan oleh Folk dan Ward (1957) yang membantu menilai parameter sedimen yang kompleks (Bunte &
Abt, 2001; Folk & Ward, 1957; Vaezi dkk., 2013). Tabel 1 menunjukkan bahwa grafik rata-rata panjang dan lebar (Xig) dari keempat ukuran partikel brangkasan jagung lebih besar dibandingkan dengan jerami gandum; namun, rasio aspeknya lebih rendah dibandingkan partikel jerami gandum.
Jenis partikel brangkasan jagung giling 2.5.
2 1
Gambar 6(b) menunjukkan persentase enam bentuk partikel (bulat, persegi, persegi panjang, persegi panjang berserat, kait, kait berserat) yang ditentukan melalui perangkat lunak ImageJ untuk setiap jenis (AeF). Persentasenya dievaluasi dari jumlah partikel dalam bentuk tertentu dibagi dengan jumlah totalnya
Gambar 6(a) menunjukkan persentase massa rata-rata dari tujuh jenis partikel dari kedua sampel.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6(a), partikel brangkasan jagung tipe A dan B membentuk sekitar 50% massa rata-rata kedua sampel. Fraksi massa terbesar berikutnya adalah untuk tipe E dan F.
Gambar 4 e Distribusi ukuran partikel beberapa ukuran brangkasan jagung/jagung (CS) dan jerami gandum (WS): (a) Distribusi kumulatif berdasarkan volume dan (b) distribusi frekuensi berdasarkan volume.
Tipe C, D, dan G memiliki fraksi massa paling rendah. Karena massa yang diperoleh di setiap subkategori kecil, kami melakukan analisis gambar statis untuk menganalisis morfologi partikel daripada menggunakan pemrosesan gambar digital dinamis (dijelaskan di Bagian 2.4). Gambar berwarna dua dimensi (1200 dpi) dari dengan upaya manual yang cukup besar, kami tidak menganalisis tiga ukuran partikel brangkasan jagung lainnya (<3,2 mme6,4 mm).
Gambar 5 menunjukkan gambar mikroskopis subkategori partikel yang ditangkap dengan mikroskop cahaya (Zeiss Stemi 508).
semua partikel dalam ketujuh kategori (tipe AeF) ditangkap menggunakan pemindai flatbed (HP LaserJet 1536 dnf, Hew-lett Packard, Boise, USA). Gambar dianalisis menggunakan perangkat lunak analisis gambar berbasis Java open-source, ImageJ, untuk mendapatkan parameter seperti luas, keliling, diameter Feret, rasio aspek, soliditas, dan dimensi lain dari elips yang paling sesuai untuk setiap partikel. Vaezi dkk. (2013) menjelaskan prosedur pengolahan citra partikel biomassa menggunakan ImageJ pada penelitian sebelumnya. Kriteria yang ditentukan oleh Gil et al. (2013) dan Gil dkk. (2014) digunakan untuk melakukan analisis bentuk ketujuh kategori partikel.
Setiap sampel dari setiap subkategori dikumpulkan secara individual dan ditimbang dengan timbangan elektronik (±0,01 g).
1,30 ± 0,75
Ukuran nominal berdasarkan ukuran bukaan saringan pengklasifikasi (BM&M Inc., Surrey, BC, Canada).
1,55 ± 0,69
4.13
9.09 3.91
Minimal.
2.87 4.77
2.19
28.09
10.70
4.74
1.29
2.55 Maks.
3.35
0,59 0,27
4.39
0,38
2.22 6.49
0,63 ± 0,36
2.72
8.70 0,58
7.01
0,38 25.52
1,22 ± 0,64
2.17 0,08
0,59 15.07
sig ¼ ½fðD84 D16Þ =4g þfðD95 D5Þ =6:6g , Deviasi standar grafis (Vaezi et al., 2013).
3.39
4.61 6.04
4,13 ± 0,35
2.40
1,97 ± 0,73
0,24
5.23
Xig ¼ ½ðD16 þD50 þD84Þ =3, Rata-rata grafis (Vaezi et al., 2013).
3.63
9,90 ± 3,14 6,64 ± 1,93
4.96
1.52
± tanda
5.57
5.26
0,88
8.55
0,64 ± 0,4 0,57
0,15 3.49
0,82
8.53
0,66
1.06 0,70
2.21
0,12 1,37 ± 0,87 10.00
7.30 6.10
3.58
3.29 1.92
14.65
4.86 1,50
3,68 ± 0,34
1.24 16.73
4.85
10.55
dc min (mm)
9.63
2.19
0,24 0,14
4.55
11.44 9,37 ± 3,24
2,26 ± 1,57
10.57
0,71 6.00
0,29
0,80 3.90
1.20
Rasio aspek (AR)
0,28 1.66
1.32
2,34 ± 1,62
7.81 7.52
6.68
3,47 ± 1,97
6.14 2.37
9.37
9.00
2.54
4,84 ± 0,93
Minimal.
2.6. Persiapan bubur brangkasan jagung
D10b _
D90 D50 D10 Xig±sig Maks.
D50 maks (mm) D90 dFE Bahan baku
tipe lainnya. Tipe C mempunyai 744 partikel dengan kait berserat
dua bentuk. Selanjutnya pada tipe A, C, D, dan G, kaitnya berserat
~6.4
(daun dan batang tanah) sampel. Tipe A: partikel mirip rusuk dengan permukaan polos, Tipe B: partikel mirip rusuk dengan permukaan kasar
partikel (yaitu, 1260) untuk menentukan persentase kail
jumlah partikel pada salah satu dari dua brangkasan jagung berukuran 19,2 mm
ditemukan. Jumlah persentase gabungan bentuk berserat persegi panjang dan berserat kait pada masing-masing tipe A dan
dan bentuk F, persegi panjang dan kait, masing-masing dominan. Pengamatan ini dibatasi pada ukuran partikel nominal 19,2 mm dari brangkasan jagung.
(z98%) pada semua tipe (AeF) berbentuk persegi panjang, berserat persegi panjang,
<~3.2
rendah [lihat Gambar 6(a)], C memiliki lebih banyak partikel (sekitar 1260) daripada Tabel 1 e Morfologi partikel biomassa sisa pertanian menggunakan Camsizer.
(mm)
Jerami gandum
partikel tebal, dan Tipe G: partikel bentuk campuran.
Partikel C mempunyai persentase jumlah tertinggi yaitu 75% dari keseluruhan
~3.2 <~3.2
Kompor jagung
bentuknya dominan dengan panjang yang lebih panjang, sedangkan pada tipe E
Biomassa sisa pertanian menyerap kelembapan saat air berada Gambar 5 e Gambar mikroskopis subkategori partikel yang diperoleh dari sampel brangkasan jagung ukuran nominal 19,2 mm
bentuk; jumlah ini dibagi dengan jumlah total tipe C
~19.2
Tipe C: partikel mirip rambut Tipe D: partikel mirip serpihan Tipe E: partikel mirip serpihan lebar Tipe F: berbentuk tak beraturan
~3.2
partikel berbentuk berserat. Kami menemukan bahwa sebagian besar partikel
~6.4
~19.2
kail, atau kail berserat. Namun, beberapa fitur menarik partikel tipe tertentu (AeF). Misalnya saja totalnya
ditambahkan (Luk, 2010; Mohamadabadi, 2009), dan bubur Ukuran partikel nominala
sampel adalah 4114. Meskipun persen massa partikel tipe C
D, dan tipe B dan G, masing-masing sebesar 60% dan 50%. Namun mengetik
C
A B C
Xig
Gambar 6 e (a) Persentase massa rata-rata dan (b) Distribusi bilangan persentase diperoleh dari GambarJ subkategori partikel brangkasan jagung sebagai fungsi bentuknya untuk ukuran partikel nominal 19,2 mm. Tipe A: partikel mirip tulang rusuk dengan permukaan polos, Tipe B:
partikel mirip tulang rusuk dengan permukaan kasar, Tipe C: partikel mirip rambut, Tipe D: partikel mirip serpihan, Tipe E: partikel mirip serpihan lebar, Tipe F: partikel mirip serpihan partikel tebal berbentuk tidak beraturan, dan Tipe G: partikel berbentuk campuran.
6.3
15 10
24.10
5
6.28 35
4.5
2,7 1,8 0,9
1019.42
4.69
1004.79 25
1,55 0,77 38.83
3.11 40
19.23
5.4 1014.49
28.99
7.2
30
5.48
3.6 1009.62
1007.19
4.77 14.39 9.57
1016,95
1002.39 20
3.90 33.90
2.33
1012.05
3
4
(19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm) pada tanaman jagung kepadatan partikel diukur berdasarkan standar ASTM C127 (ASTM
International e ASTM C127-15, 2015). Standar
mengambang secara netral. Oleh karena itu, kami berasumsi saat ini
konsentrasi diubah dengan mengencerkan bubur dengan penambahan 5% (massa), dan nilai tekanan dan kecepatan
Massa padat bahan kering
. Gambar 7 menunjukkan empat ukuran partikel (19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm) dari (basis basah) dan nilai MC jenuh. Setelah menghapus
dikeringkan dalam oven selama 24 jam pada suhu 105 C untuk mencari MC awal. Yang diinginkan
konsentrasi massa jenuh3 dihitung (yaitu, Cm sebesar 25%,
bubur berair, kami mengukur MC dasar basah dari bahan brangkasan jagung yang diklasifikasi mengikuti standar ASABE S358.3
Bubur jenuh
bubur, kisaran pengukuran berulang ditemukan
(5e30 mm) dari jerami gandum dan brangkasan jagung (dalam jenuh Volume padat jenuh
(MECE 301, 2018; Moffat, 1988). Secara umum, ketidakpastian dalam bubur air brangkasan jagung diedarkan dalam lingkaran
brangkasan jagung. Pendekatan standar digunakan untuk mencari totalnya diperiksa dan ditemukan serupa dengan yang sesuai
udara dari air dalam loop pipa tertutup, yang diperlukan
jam. Setelah bubur stabil, kecepatan curahnya pun
(Gbr. A seperti yang ditunjukkan di bagian informasi tambahan).
kepadatan partikel jenuh brangkasan 1050 kg m3 (2014)).
pengulangan pengukuran eksperimental beberapa persentase ð%Þ
pengukuran penurunan tekanan brangkasan jagung berasal dari terus menerus selama 15e18 jam sampai bubur stabil (yaitu sepenuhnya
Untuk memeriksa ketidakpastian dalam pengukuran penurunan tekanan, (ASABE, 2012). Empat sampel brangkasan jagung ukuran acak
30%, 35%, dan 40% [massa] untuk nominal 19,2 mm, 6,4 mm,
metode uji kepadatan relatif (berat jenis) dan serapan agregat kasar,”
2015). Rata-rata jenuh
dicatat. Volume dan persentase massa bubur brangkasan jagung padat jenuh dan kering (dikeringkan di oven) adalah
menyelidiki bahwa konsentrasi bubur jagung yang dikirim akan sama dengan yang disiapkan
kondisi) dievaluasi dalam air tenang dan partikel persentase4 ð%Þ
Massa padat jenuh
ketidakpastian ðUXÞ dari pengukuran penurunan tekanan sebesar sejumlah brangkasan jagung perlahan-lahan dimasukkan ke dalam pencampuran
konsentrasi yang disiapkan dengan perbedaan kecil (Javed et al., kepadatan ðkg m3Þ
menjadi ±6,0%.
ukuran partikel dan konsentrasi massa bubur brangkasan jagung dalam aliran vertikal ke atas.
dikurangi dari 4,3 m s1 menjadi 0,5 m s1 pada jarak maksimum yang dapat diakses
Kepadatan massa jenuh brangkasan jagung serupa dengan itu Dalam percobaan kami sebelumnya, konsentrasi yang disampaikan
ditemukan bersifat apung netral (yaitu, ðvt=vmÞ 0,021, di mana
jenuh); pada titik ini, fluktuasi tekanan dan
Volume padat bahan kering Tabel 2 e Volume dan persentase massa padatan jenuh dan kering campuran brangkasan jagung-air.
±0,0145 kPa m1 hingga ±0,0925 kPa m1 reologi berubah seiring berjalannya waktu hingga biomassa benar-benar
jenuh dengan kadar air (MC) sekitar 82%
ditunjukkan pada Tabel 2. Kepadatan jenuh brangkasan jagung
konsentrasi.
bubur dievaluasi menggunakan jenuhnya yang sesuai
konsentrasi massa jenuh dan memperoleh nilai penurunan tekanan gesekan yang sesuai. Massa padat bubur
jerami gandum, dan partikel dari kedua bahan baku tersebut bubur air jerami gandum dengan kecepatan berbeda
Kepadatan partikel brangkasan jagung adalah 1048,73 kg m3 (nilai ini persentase ð%Þ
dua set percobaan dilakukan untuk slurry semuanya masing-masing berukuran 3,2 mm, dan <3,2 mm) menggunakan MC awal
dipetik masing-masing dengan berat minimal 25 g (berat bersih), dan
Pengukuran faktor gesekan ukuran partikel
Untuk keseluruhan percobaan pada brangkasan jagung kecepatan bubur brangkasan jagung turun menjadi sekitar 1,0e2,0% per
vm adalah kecepatan bubur/campuran) pada kecepatan bubur tertentu serupa dengan yang ditemukan oleh Vaezi et al., yang melaporkan jagung
persentase ð%Þ
tangki dengan pompa lumpur dan mixer dihidupkan. Itu
2021, 2022). Dalam salah satu penelitian laboratorium kami yang sedang
berlangsung, kecepatan pengendapan terminal (vt) dari panjang partikel yang berbeda (Vaezi dkk., 2014). Sebagai langkah awal pembuatan brangkasan jagung
massa dengan ukuran partikel tertentu agar dapat diakses secara maksimal
mengevaluasi presisi ðPXÞ dan ketidakpastian bias ðBxÞ
3. Hasil percobaan dan pembahasan
massa air yang tidak terserap dalam loop.
Konsentrasi massa padat jenuh dievaluasi dari
Persentase volume padat jenuh dievaluasi dari
Volume padatan jenuh ditentukan dengan membagi massa bersama-sama massa jenuh bahan padat dan total
pembilangnya) dan volume total lingkaran (dalam penyebut).
dan massa total bubur yang ada dalam loop (dalam penyebut).
Massa total bubur dievaluasi dengan menambahkan
rasio volume jenuh bahan padat (dalam a rasio massa jenuh bahan padat (dalam pembilang)
padatan jenuh dengan kepadatan partikel jenuhnya.
3.1.
2.7.
penangguhan
3.1.1. Daerah aliran dan efek konsentrasi Analisis ketidakpastian
Pengukuran kehilangan gesekan air brangkasan jagung
Gambar 7 e Keterulangan dua set percobaan pada bubur air brangkasan jagung/jagung dengan ukuran partikel 19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm pada bagian uji vertikal berdiameter 50 mm.
(Moller & Osullivan, 1974). Fock dkk. (2011) mengamati homogenitas dalam struktur aliran dan distribusi serat dalam sumbat pada kecepatan tertentu dalam penyelidikan mereka terhadap efek aliran suspensi pulp di dekat dinding dalam pipa melingkar. Mereka selanjutnya menemukan melalui pengukuran velocimetry gambar partikel (PIV) bahwa sumbat mengandung gumpalan serat (dengan serat sejajar dengan arah aliran) yang ukurannya sangat bergantung pada kecepatan dan konsentrasi suspensi (Fock et al., 2011) .
Dalam penyelidikan kami saat ini, ukuran partikel terbesar suspensi air brangkasan jagung pada Cm rendah yaitu 5e10% [Gbr. 8(a)] hanya menunjukkan daerah aliran transisi saja; di sana, faktor gesekan selalu berada di bawah kurva air pada rentang bilangan Reynolds yang lengkap. Salah satu alasan untuk perilaku khas ini mungkin adalah partikel seperti rambut panjang (misalnya, tipe C, Gambar 5) dalam bubur brangkasan jagung; partikel-partikel ini mungkin menyebabkan pengurangan hambatan bahkan pada bilangan Reynolds rendah. Partikel mirip rambut ini lebih panjang dibandingkan partikel lainnya (ditunjukkan pada Gambar 5). Meskipun persentase massa partikel mirip rambut ini rendah [Gbr. 6(a)], ImageJ menunjukkan bahwa partikel-partikel ini memiliki persentase jumlah tertinggi (yaitu, 30%) dari enam jenis. Serat berinteraksi satu sama lain melalui rotasi serta translasi selama aliran geser, dan panjang serat yang lebih panjang berkontribusi lebih besar terhadap pengurangan hambatan (Kerekes, 2006). Oleh karena itu, ada kemungkinan besar bahwa partikel-partikel yang menyerupai rambut ini akan lebih membengkok dibandingkan jenis partikel lainnya (yaitu, E dan F) untuk
mengembangkan gaya kait bahkan dalam fase suspensi encer brangkasan jagung (5e10%). Gaya pengait adalah gaya mekanis yang muncul dari ikal atau kekusutan partikel mirip rambut selama alirannya dan pada akhirnya menyebabkan partikel tersebut menyatu (bukannya meluncur satu sama lain) dalam kondisi suspensi encer (Kerekes, 2006) . Ellis (1970) menemukan pengurangan hambatan oleh serat asbes besar dalam aliran suspensi encer melalui pipa melingkar. Hoyt (1972) melaporkan peningkatan efektivitas pengurangan hambatan sebanding dengan serat asbes seperti rambut panjang (dengan
diameter terkecil dan rasio aspek besar) untuk semua konsentrasi yang digunakan dalam penelitian mereka. Telah ditemukan bahwa Secara umum, sebagian besar suspensi air brangkasan jagung di
setiap ukuran partikel (lihat Gambar 8) menunjukkan karakteristik aliran sumbat (Wilayah 1) dan daerah aliran transisi (Wilayah 2) untuk Cm ¼ 5e25% di seluruh aliran berkisar dengan sedikit pengecualian (yaitu, sebagian besar suspensi dari partikel terbesar dan konsentrasi tinggi dari tiga ukuran partikel sisanya). Pada laju aliran yang rendah, sumbat serat bergerak sepanjang inti tengah pipa yang dikelilingi oleh anulus air jernih (baik yang bebas serat atau dengan sedikit serat) antara dinding bagian dalam pipa dan sumbat (Radin et al., 1975 ; Wiklund dkk., 2001, 2006). Annulus air di sekitar sumbat serat terutama disebabkan oleh kompresi radial jaringan serat akibat gaya tegangan geser hidrodinamik (Meyer, 1964) dan defleksi ujung serat (efek rumput yang tertiup angin)
titik transisi dikenal sebagai daerah aliran transisi (atau campuran) (Wilayah 2) (ditunjukkan pada Gambar 8); di wilayah ini, peningkatan lebih lanjut dalam kecepatan suspensi akan menurunkan faktor gesekan dan akhirnya diameter sumbat, meskipun dengan laju yang relatif lebih rendah dibandingkan di wilayah aliran sumbat (Radin et al., 1975). Pada titik ini, anulus air yang mengelilingi sumbat serat tidak bertambah besar seiring bertambahnya kecepatan suspensi karena serat terkompresi di dalam sumbat. Semakin tinggi aliran geser pada anulus air mengganggu sumbat pada antarmuka plugeannulus (Sumida, 2013). Penguraian serat dari sumbat ini berlanjut seiring dengan peningkatan kecepatan suspensi hingga sumbat serat menghilang dan suspensi mencapai daerah aliran turbulen [yaitu Wilayah 3, Gambar 8(a)], yang pada titik tersebut faktor gesekan meningkat seiring dengan peningkatan kecepatan (bukannya menurun, seperti yang diamati sebelumnya) dan akhirnya membuat kurva gesekan suspensi sejajar dan di bawah kurva air turbulen dengan offset tertentu (Cotas, 2016).
tipe A, B, dan D lebih panjang dan memiliki karakteristik berserat persegi panjang dan berserat kait, seperti tipe C. Oleh karena itu, partikel mirip rambut, serta tipe A, B, dan D, dapat membentuk floccettes atau kadang-kadang flok pada konsentrasi rendah. dari bubur dengan ukuran partikel brangkasan jagung terbesar pada laju aliran turbulen yang rendah sekalipun. Namun, floccette/floc ini tidak akan cukup besar (sehubungan dengan diameter bagian dalam pipa vertikal dalam penelitian saat ini) sehingga dapat menyebabkan aliran sumbat pada bilangan Reynolds yang rendah. Oleh karena itu, suspensi konsentrasi rendah dari ukuran partikel brangkasan jagung terbesar ini pada akhirnya menunjukkan pengurangan hambatan pada aliran turbulen rendah [Gbr. 8(a)].
Kami mempertimbangkan bilangan Reynolds umum (Reg ¼ ðrmvmD =mfÞ) di sini untuk mewakili kecepatan setiap suspensi.
suspensi air yang mengalir ke atas pada bagian uji vertikal untuk rentang kecepatan (1,0e4,3 m s1 ) dan konsentrasi massa Cm ¼ 5e35% ditunjukkan pada Gambar 8.
Ketika konsentrasi massa padat suspensi brangkasan jagung meningkat menjadi 15% [Gbr. 8(a)], hidrodinamik
Terdapat lapisan geser turbulen tipis dengan gradien kecepatan tajam di zona antara sumbat serat dan dinding pipa (Cotas, 2016; Kazi et al., 1999). Faktor gesekan menurun tajam di wilayah aliran sumbat (Wilayah 1), sedangkan ukuran annulus air meningkat (secara bertahap) dengan peningkatan kecepatan suspensi hingga titik transisi (D pada Gambar 8; diadaptasi dari penelitian sebelumnya ( Vaezi et al., 2014)) tercapai ketika faktor gesekan suspensi menjadi sama dengan air (yaitu fluida Newton) ( Cotas, 2016; Duffy et al., 1976).
Titik transisi ini menunjukkan pergeseran daerah aliran suspensi tertentu dari aliran sumbat ke aliran transisi pada kecepatan suspensi tertentu dan dikenal sebagai kecepatan permulaan pengurangan drag.
Wilayah aliran yang berkembang setelah
1 2
interaksi partikel dengan fluida di sekitarnya dan interaksi antar partikel itu sendiri meningkat, yang meningkatkan viskositas suspensi nyata (Djalili-Moghaddam & Toll, 2006) dibandingkan dengan suspensi konsentrasi rendah (yaitu 5e10%). Fenomena ini pada akhirnya menyebabkan flok yang lebih besar (dan karenanya gesekan yang lebih tinggi) terbentuk pada laju aliran yang rendah. Kami menduga suspensi brangkasan jagung ini masih dapat mengurangi hambatan pada laju aliran rendah jika diameter pipa diperbesar. Namun hal ini perlu dikaji lebih lanjut dengan memperluas pengaturan yang ada saat ini. Suspensi brangkasan jagung dengan ukuran lain (yaitu, 6,4 mm, 3,2 mm, dan
<3,2 mm) tidak seluruhnya termasuk dalam wilayah aliran transisi untuk rentang laju aliran lengkap, maupun konsentrasi massa apa pun [Gbr . 8(b,c,d)].
(n ¼ ½ð4 =pÞ CVð1 =ðXigX2 ig;wÞÞ), Xig, dan Xig;w masing-masing adalah pecahan nomor serat, panjang rata-rata grafik, dan lebar rata- rata grafik; lihat Tabel 1 untuk nilai Xig dan Xig;w) dalam suspensi ini adalah 1,5e6,0 kali lebih rendah dibandingkan dengan ukuran partikel terbesar (ditunjukkan pada Tabel 3), yang dapat mengakibatkan peningkatan daya rekat dan pada akhirnya memungkinkan flok untuk
menyatu. tumbuh bahkan pada konsentrasi massa dan bilangan Reynolds yang rendah.
Gambar 8 e Faktor gesekan versus bilangan Reynolds umum untuk kecepatan ÿ1,0 m s¡1 pada aliran vertikal suspensi air brangkasan jagung/
jagung sebesar (a) 19,2 mm, (b) 6,4 mm, (c) 3,2 mm, dan (d) ukuran partikel <3,2 mm.
Jarak rata-rata antar serat (yaitu, haV ¼ ½nXig
Penurunan maksimum yang dapat dicapai pada faktor gesekan di bawah kurva air ditemukan untuk aliran suspensi dengan ukuran partikel terbesar pada konsentrasi massa 15% dan kecepatan 3,65 m s1 [lihat Gambar 8(a)]. Pada kecepatan yang lebih tinggi (yaitu >3,65 m s1 ), suspensi ini mencapai wilayah aliran turbulen (Wilayah 3) (di mana faktor gesekan mulai meningkat namun masih di bawah kurva air).
Fenomena serupa terjadi dimana n
,
5e25
9.2e3.7
1.7e12.0 kompor
2.6e13.3
~6.4
5e35
2.6e0.9 5e25
5.6e2.3
<3.2
1.8e12.8 2.6e0.9
Gandum
~6.4
5e35
~19.2
5e30
<3.2 Jagung
~3.2
5e40
9.5e4.2 14.1e6.3
1.9e11.8
2.4e14.6 5.3e2.0
0,15e1.22
5e30
4.9e1.9
0.34e2.8
~19.2 Sedotan
~3.2
5e40
1.2e6.0
3.1.2. Daerah aliran pada konsentrasi tertinggi
Rata-rata
dan konsentrasi massa diuji (Gbr. 8). Dalam pekerjaan ini, kami
kami memilih untuk memilih rasio aspek yang diberikan pada Tabel 1 untuk masing-masingnya jenis plot ini. Suspensi serat dikatakan dalam keadaan encer
bubur dengan partikel berbentuk kompleks sangat bergantung pada
karakteristik turbulensi teredam pada laju aliran yang lebih tinggi.
untuk bubur jagung dan jerami gandum encer
rezim adalah yang paling sulit untuk dianalisis dan dimodelkan ketika jumlah negara terlampaui bubur berair.
penurunan faktor gesekan yang dapat dicapai di bawah kurva air adalah
serat lurus kaku dengan kepadatan yang relatif lebih tinggi
bubur berair jerami gandum, yang mencerminkan awal dari wilayah aliran turbulen (yaitu, sub-wilayah turbulensi teredam) pada a
rezim ketika nc 3.0 (Dodson, 1996; Kerekes, 2006). Aturan-aturan ini menggambarkan batasan-batasan yang dikenakan pada penerjemahan angka (N ¼ ð2 =3ÞCVðARÞ
penurunan faktor gesekan terjadi dengan peningkatan konsentrasi
Kesesakan
,
mengalir untuk beberapa konsentrasi massa dan lengkap
dan brangkasan jagung) pada konsentrasi yang berbeda (yaitu, lebih rendah pada konsentrasi tersebut
; ukuran
suspensi tiga ukuran partikel lainnya [yaitu, 6,4 mm,
Kendala ini berarti kami tidak melihat adanya peningkatan lebih lanjut
ketergantungan pada AR, tumbukan disebabkan oleh asimetri serat Gambar 9 menunjukkan plot log tipikal dari tekanan gesekan
partikel (ditunjukkan pada Tabel 3), yang sebagian besar terdiri dari
dan gerakan rotasi serat dalam suspensi. Itu
diamati pada kecepatan dan massa bubur tertinggi yang dapat dicapai konsentrasi massa yang relatif lebih tinggi (yaitu, 25%) (Javed
angka. Dalam penyelidikan kami saat ini, keempat ukuran partikel antar serat
tidak dapat mencapai kecepatan yang lebih tinggi (yaitu >3,8 m s1 ) untuk ukuran partikel terbesar pada laju aliran rendah. Peningkatan ini pada akhirnya viskositas. Barnes dkk. (1989) menemukan bentuk partikel dan
Hasil tambahan untuk ukuran partikel terbesar sebesar 15%
Ukuran partikel 19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm.
Gambar 10 memberikan perkiraan yang masuk akal nilai 3.0 (Samaniuk dkk., 2011). Meskipun beberapa penelitian
faktor gesekan hingga subwilayah turbulensi Newton
kecepatan jatuh dan curah (0,5e2,96 m s1 ) untuk massa tertinggi
partikel lurus seperti tulang rusuk. Oleh karena itu, dengan temuan penelitian sebelumnya (Barnes et al., 1989; Larson, 1999; Schmid et al.,
rentang kecepatan curah (titik D pada Gambar 8).
dimana CV adalah suspensinya
akan lebih tinggi untuk ukuran partikel yang lebih besar dibandingkan dengan ukuran partikel yang lebih kecil
(%)
ukuran partikel partikel biomassa. Rezim-rezim tersebut rezim ketika jumlah kontak per serat (nc), yang bisa Gambar 9 e Plot logaritmik penurunan tekanan gesekan dan
konsentrasi partikel. Schmid dkk. (2000) melaporkan bahwa serat
brangkasan jagung dan lebih tinggi pada jerami gandum) adalah kompleksnya (mm)
Nominal Bahan Baku
tumbukan partikel biomassa pada konsentrasi dan ukuran partikel yang digunakan dalam penelitian kami saat ini dan sebelumnya (Javed et al., fokus pada PSD daripada memilih satu ukuran partikel
semakin besar nomor kontak, semakin besar kemungkinan fiberfibre konsentrasi masing-masing 20%, 25%, dan 25%.
brangkasan jagung memiliki angka kepadatan yang rendah ðNÞ untuk semua massa dkk., 2021). Alasan utama terjadinya hal ini
nomor
ukuran partikel suspensi air brangkasan jagung terbesar bila
Tidak ada suspensi brangkasan jagung lainnya (kecuali 19,2 mm bila
konsentrasi massa (pada Gambar 9) telah ditambahkan untuk memvisualisasikan
menyebabkan berkembangnya sumbat yang lebih besar dan karenanya menjadi lebih tinggi rasio aspek menjadi faktor kuat; keduanya mempengaruhi viskositas bubur.
sifat brangkasan jagung giling (mengandung beberapa partikel
2000; Tadros, 2010) dalam pikirannya, kita dapat menyatakan bahwa flokulasi Jenuh
Tabel 3 e Rata-rata jarak serat dan jumlah crowding
tercapai (pada titik mana tidak ada peningkatan lebih lanjut atau
pada konsentrasi massa yang sama (Kerekes, 2006). Untuk rezim
terkonsentrasi (yaitu, nc 3.0), angka crowding (N) akan selalu lebih besar dari rasio aspek partikel (AR). Ini
konsentrasi semua ukuran partikel brangkasan jagung jarak
perilaku suspensi biomassa berair diidentifikasi menggunakan kecepatan curah bubur jagung/bubur jagung encer
dengan bentuk keseimbangan yang tidak beraturan mempunyai pengaruh yang besar terhadap
titik transisi D (dari aliran sumbat ke daerah aliran transisi) aktif
faktor gesekan [Gbr. 8(a)]. Namun penangguhan ini terlihat Larson (1999) dan Tadros (2010) juga menemukan bahwa viskositas
adalah <1,0 dan dalam konsentrasi
temukan N dan nc (Huber dkk., 2003; Kropholler & Sampson, 2001), partikel
kecepatan suspensi (Javed et al., 2021; Seely, 1968). Untuk
3,2 mm, dan <3,2 mm, ditunjukkan pada Gambar. 8(b,c,d)], tertinggi
konsentrasi volumetrik dalam pecahan) dibandingkan dengan diamati untuk aliran vertikal ke atas dengan ukuran partikel 19,2 mm
TIDAK
Cm ¼ 15%) menunjukkan wilayah aliran turbulen pada rentang aliran berapa pun
dievaluasi sebagai nc ¼ 2CVðARÞ
Pendekatan nomor kontak serat ditunjukkan pada Gambar 10.
19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm vertikal ke atas
meningkat ketika Cm ¼ 15% dari suspensi brangkasan jagung
bentuk dan ukuran, seperti ditunjukkan pada Gambar 5), yang mempengaruhi bubur massa
Cm ¼ 15% karena keterbatasan kapasitas pompa lumpur.
interaksi. Karena nomor kontaknya berbentuk kuadrat konsentrasi dibandingkan dengan jerami gandum yang sesuai
fenomena dalam dua bahan baku yang berbeda (yaitu, jerami gandum
flokulasi (yaitu, flok meningkat) bahkan pada kepadatan rendah ðhavÞ
2
2
2021, 2022). Pada konsentrasi massa yang lebih tinggi (25e40%) (Gambar 9), sebagian besar suspensi brangkasan jagung ditemukan berada dalam rezim terkonsentrasi (yaitu, nc 3.0) dengan muatan biomassa yang tinggi dan kontak serat yang terus menerus satu sama lain, sehingga berkembang jaringan yang koheren di antara partikel- partikel yang meningkatkan flokulasi dan pada akhirnya ukuran sumbat.
Diharapkan pada keadaan suspensi ini, ukuran anulus akan menjadi kecil, yang pada akhirnya menghasilkan zona geser yang tinggi antara annulus dan dinding pipa sehingga laju aliran semakin meningkat.
Semua suspensi (kecuali Cm ¼ 25% untuk kedua ukuran partikel yang lebih rendah) menunjukkan faktor gesekan (atau penurunan tekanan) di atas air untuk seluruh rentang aliran (Gambar 8 dan 9), sehingga menampilkan karakteristik wilayah aliran sumbat. hanya tanpa pengurangan drag.
Gambar 11(a) dan (b) menunjukkan kisaran pengukuran penurunan tekanan gesekan untuk keempat ukuran partikel bubur berair brangkasan jagung yang mengalir pada konsentrasi massa 15% dan 20% melalui bagian uji vertikal. Untuk konsentrasi dan rentang laju aliran tertentu (yaitu, di atas kecepatan tertentu) dari semua suspensi, penurunan tekanan gesekan berkurang (sehubungan dengan air jernih) dengan peningkatan ukuran partikel. Penurunan penurunan tekanan gesekan tertinggi diamati untuk suspensi brangkasan jagung dengan ukuran partikel terbesar pada kecepatan curah maksimum yang dapat dicapai sebesar z3,8 m s1 dan konsentrasi massa 15%. Pada konsentrasi massa yang lebih tinggi (yaitu, 20%), kecepatan curah maksimum yang dapat dicapai untuk suspensi dengan ukuran partikel terbesar adalah lebih rendah (yaitu, 3,65 m s1 ) dibandingkan nilai yang sesuai ketika Cm ¼ 15%.
Gambar 10 e Nomor kontak untuk bubur berair jagung/jagung dan jerami gandum berukuran 19,2 mm, 6,4 mm, 3,2 mm, dan <3,2 mm pada berbagai konsentrasi massa.
Kecepatan yang lebih tinggi tidak dapat dicapai untuk suspensi mana pun pada konsentrasi tertingginya (misalnya, untuk ukuran partikel terkecil, kecepatan tertinggi yang dapat dicapai hanya 1,81 m s1 pada konsentrasi massa 40%). Namun, berdasarkan tren faktor gesekan dan kurva penurunan tekanan yang diperoleh untuk suspensi brangkasan jagung dengan konsentrasi tinggi (ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9), diamati bahwa daerah aliran transisi dapat dicapai untuk sebagian besar suspensi pada suhu yang relatif lebih tinggi.
bilangan Reynolds. Untuk beberapa suspensi dengan ukuran partikel yang lebih kecil (yaitu, 3,2 dan <3,2 mm) pada konsentrasi massa tertinggi, kurva penurunan tekanan yang sesuai (jika diekstrapolasi) tampak menyimpang menjauhi kurva air bahkan pada laju aliran yang sangat tinggi. menjaga dirinya tetap berada dalam wilayah aliran sumbat saja (Gbr. 9). Pengamatan ini perlu dieksplorasi lebih jauh pada bilangan Reynolds yang lebih tinggi dengan mengukur viskositas slurry dan meningkatkan pompa slurry loop kami.
Namun, peningkatan kecepatan curah diperkirakan akan menyebabkan penurunan lebih lanjut penurunan tekanan gesekan pada Cm yang lebih tinggi (yaitu, 20%) dari suspensi dengan ukuran partikel terbesar.
Untuk konsentrasi massa yang lebih rendah (yaitu, 5e10%) dan kecepatan maksimum yang dapat dicapai (Gbr. B di bagian Informasi Tambahan ), penurunan tekanan gesekan untuk suspensi dengan ukuran partikel terbesar selalu lebih rendah dibandingkan dengan partikel yang lebih kecil. Hasil ini menunjukkan pengaruh yang kuat dari ukuran partikel terhadap penurunan tekanan gesekan suspensi air brangkasan jagung untuk semua konsentrasi pada rentang aliran tertentu. Penelitian lain menemukan efek serupa dari ukuran partikel terhadap penurunan tekanan gesekan berbagai aliran suspensi serat di bagian pipa vertikal (Bobkowicz & Gauvin, 1965; Javed et al., 2022;
Radin et al., 1975). Penurunan rata-rata jarak antar serat (hav) meningkatkan gaya rekat dan flokulasi suspensi serat, yang pada akhirnya meningkatkan viskositas suspensi nyata dari bubur. Fraksi bilangan serat (n) pada ukuran partikel terbesar (19,2 mm) brangkasan jagung adalah 200 kali lebih kecil dibandingkan partikel berukuran halus (yaitu <3,2 mm); oleh karena itu jarak antar seratnya kira-kira 6,0 kali lebih besar dibandingkan dengan partikel halus, dan viskositas suspensi nyatanya semakin besar.
3.1.3. Pengaruh ukuran partikel
Pengaruh ukuran partikel terhadap penurunan tekanan gesekan dan pengurangan gaya tarik bubur air brangkasan jagung dalam aliran
vertikal ke atas untuk berbagai kecepatan campuran ditunjukkan pada Gambar 11 .
suspensi brangkasan-air jagung relatif lebih rendah dibandingkan suspensi partikel halus. Penurunan viskositas suspensi nyata ini pada akhirnya mengurangi penurunan tekanan lebih banyak pada bubur brangkasan jagung dengan ukuran partikel terbesar dibandingkan dengan partikel halus. Selain itu, serat yang lebih
panjang menghasilkan lebih banyak titik kontak, mekanis yang lebih besar
Gbr. 11 e Pengaruh ukuran partikel pada aliran vertikal ke atas dari bubur berair brangkasan jagung/jagung untuk kisaran kecepatan curah bubur (1,0e4,0 m s¡1 ) pada penurunan tekanan gesekan pada konsentrasi massa jenuh (a) 20 % (massa), (b) 15% (massa), dan (c) pengurangan hambatan untuk rentang konsentrasi massa (5e25%).
keterikatan, jaringan serat yang lebih kuat, dan karenanya flok yang lebih besar dan kuat
(Dodson, 1996; Huber et al., 2003).Sebagai hasil dari jaringan yang kuat dan flok yang lebih besar khususnya pada konsentrasi massa yang lebih tinggi, suspensi mengurangi intensitas turbulensi longitudinal
(Bobkowicz & Gauvin,1965; Radin et al., 1975),
