2.4 SENTRIFUGASI (GAS CYCLONES)

Terdapat bbrp kasus selama proses dan penanganan partikel padat ketika akan dipisahkan dari suspensi dlm campuran gas. Dalam bab ini kita akan lihat bagaimana gas dig untuk membawa partikel padat dlm sustu proses. Efisiensi pemisahan produk dari gas pada akhir jalur transportasi memegang peranan penting dlm metode transportasi padatan. Dalam bbrp aplikasi, ukuran partikel-partikel yg perlu dipisahkan dari gas harus ditentukan terlebih dahulu. Umumnya, partikel yg lebih besar dari 100 m dapat dipisahkan dg mudah melalui proses gravity settling. Namun untuk partikel kurang dari 10 m memerlukan metode penanganan yg berbeda, misalnya: filtrasi, wet scrubbing, dan electrostatic preicipitation. Gambar 5.1 menunjukkan tipe kurva efisiensi untuk alat pemisahan partikel dalam gas.

Gambar 5.1 Tipe kurva grade efficiency untuk pemisahan partikel-gas

Dalam bab ini kita akan fokus pada peralatan yg dikenal sbg cyclone separator atau cyclone. Gas cyclone biasanya tidak cocok untuk pemisahan yg melibatkan suspensi dg jumlah besar untuk partikel berukuran kurang dari 10 m. Gas cyclone ini cocok sbg peralatan pemisah primer dan biasanya untuk partikel yg agak kasar dan dilengkapi dg electrostatic atau fabric filter guna pemisahan partikel halus.

• Gas CycloneJenis cyclone yg paling umum adalah reverse flow type spt terlihat pada gambar 5.2. Masukan gas dialirkan scr tangensial kedlm silinder dan vorteks yg kuat akan terbentuk didlm body cyclone. Partikel2 dlm gas diarahkan dg gy sentrifugal yg selanjutnya akan bergerak kebawah dg arah radial melawan aliran gas keatas. Partikel padat akan terpisah dan terkumpul dibag bawah silinder cyclone sedang gas keluar lewat bagian atas silinder. Partikel padat pada dinding silinder cyclone akan terdorong kebawah oleh vorteks, sedangkan gaya gravitasi hanya memainkan peranan kecil saat operasi cyclone berlangsung.

Gambar 5.2 Skema Gambar gas Cyclone (Reverse Flow Type)

• Karakteristik AliranAliran putar dari gaya vorteks didlm body cyclone akan menaikkan gradien tekanan radial. Gradien tekanan ini bersama-sama fractional pressure loss pada masukan dan keluaran gas akan membuat penurunan tekanan statik. Penurunan tekanan statik ini diukur diantara masukan dan keluaran gas yg biasanya proporsional thd laju alir gas melalui cyclone.Koefisien tahanan, Bilangan Euler, Eu, diberikan dg pers:

(5.1) pentingDimana f = densitas gas

Sedangkan kecepatan gas () dalam gas cyclone didefinisikan dalam beberapa cara tetapi yang paling mudah adalah sebagai berikut:

(5.2) pentingDimana, q = laju alir gas D = diameter dalam cyclone

22vPE

f

u

2

4Dqv

Efisiensi Pemisahan

• Total Efficiency dan Grade EfficiencyPertimbangkan suatu cyclone dimana laju alir masa solid adalah M, laju alir masa solid yang keluar sebagai produk adalah Mc (dikenal dengan produk kasar/coarse product) dan laju alir masa partikel yang keluar bersama gas adalah Mf (dikenal sebagai produk halus/fine product). Neraca masa solid dapat ditulis sebagai berikut:

M = Mf + Mc. (5.3) penting

Neraca masa komponen untuk setiap ukuran partikel x (asumsikan tidak ada pengecilan atau pembesaran partikel selam proses) maka, komponen

(5.4)

dx

dFMdxdFMdx

dFM cc

ff

Dimana, dF/dx, dFf/dx, dan dFc/dx adalah distribusi ukuran diferensial frekwensi atas dasar masa (yaitu fraksi masa ukuran x) untuk feed, produk halus, dan produk kasar berturut-turut. F, Ff, dan Fc adalah distribusi ukuran kumulatif atas dasar masa (fraksi masa kurang dari ukuran x) untuk umpan, produk halus, dan produk kasar (lihat Distribusi Ukuran Partikel dalam Bab 2.1).Total efisiensi pemisahan partikel dari gas, ET, didefinisikan sebagai fraksi antara masa produk kasar terhadap total feed, yaitu:

(5.5) penting

Grade efisiensi adalah efisiensi dimana cyclone mampu mengumpulkan partikel-partikel dengan ukuran tertentu dan dituliskan dalam bentuk:

(5.6)

MM

E cT

feeddalamxberukuransolidmasa

kasarprodukdalamxukurandengansolidmasaxG ""

""

Atau (5.7)

Kombinasi persamaan (5.5) dengan (5.7) manghasilkan

• (5.8)

Kombinasi persamaan (5.3), (5-4) dan (5.5) menghasilkan (5.9)

Sehingga dalam bentuk kumulatif menjadi

F = ET Fc + (1-ET) Ff (5.10)

dxdFM

dxdFM

xGc

c

dxdF

dxdF

ExGc

T

dx

dFEdxdFEdx

dF fT

cT 1

• Analisis Teori Sederhana Untuk gas Cyclone SeparatorDengan mengacu gambar 5.3 dimana suatu reverse flow cyclone memiliki silinder beradius R. Partikel-partikel masuk cyclone bersama aliran gas dalam gerak berputar. Gaya-gaya yang bekerja pada partikel dalam arah berputar adalah gaya dorong (drag force), gaya apung (buoyancy force), dan gaya sentrifugal (centrifugal force). Kesetimbangan antara gaya-gaya ini menentukan kesetimbangan orbit partikel.

Gaya dorong diakibatkan oleh gas keatas melewati partikel-partikel dan berlangsung secara radial keatas. Pertimbangkan partikel berdiameter x dengan densitas p mengikuti orbit pada radius r dalam denitas gas f dan viskositas . Jika kecepatan tangensial partikel U dan kecepatan radial gas Ur. Asumsikan Hukum Stoke berlaku untuk kondisi ini maka gaya dorong (drag force) menjadi:

(5.11)rD UxF 3

Gambar 5.3 Reverse Flow Cyclone-a simple theory for separation efficiency

Gaya sentrifugal FC dan gaya apung FB yang bekerja pada partikel dengan kecepatan tangensial komponen U pada radius r adalah

• (5.12)

• (5.13)Pada kondisi diatas, partikel-partikel bergerak kebawah dan keatas sampai gaya-gaya setimbang didalam orbit dan pada titik ini berlaku:

FC = FD + FB (5.14)Dan

(5.15)

Untuk vorteks dalam cyclone, U = r , dimana adalah kecepatan angular/putar dan untuk vorteks bebas U r = konstan. Secara percobaan, untuk vortek dalam body cyclone diperoleh:

rUxF pC

23

6

rUxF fB

23

6

rfp

UUrx

22 18

tan21

konsrU

Sehingga (5.16)

Jika diasumsikan aliran gas kearah keluar adalah seragam maka kec gas dalam arah radial, Ur adalahLaju alir gas, (5.17)Sehingga UR = Ur (r/R) (5.18)Gab pers (5.16) dan (5.18) dg pers (5.15) diperoleh:

• (5.19)Dimana r adalah radius kesetimbangan orbit untuk pertikel berdiameter x.Jika diasumsikan bahwa semua partikel dg kestimbangan radius orbit lebih besar atau sama dg radius body cyclone dapat dikumpulkan, maka substitusi r = R dalam pers (5.19) dihasilkan ekspresi diameter partikel kritis untuk pemisahan, xcrit sbb:

• (5.20)

21

21

RUrU r

Rr ULRULrq 22

rUUx

R

R

fp

22 18

RUU

xR

R

fpcrit

2

2 18

Harga-harga komponen kecepatan radial (UR) dan tangensial (UR) pada cyclone dalam persamaan (5.20) diperoleh dari pengetahuan geometris cyclone dan laju alir gas.

• Scale-up cyclone didasarkan pada kelompok tak berdimensi, bilangan Stoke, Stk50, yang didefinisikan sebgai berikut:

(5.21) penting

Dimana, Stk50 = Bil Stoke untuk partikel berdiameter kritis (cut size)X50 = diameter partikel kritis (cut size diameter) = viskositas gasp = densitas partikelf = densitas gasv = kecepatan gasD = diameter body cyclone

Dvx

Stk p

18

250

50

Karena secara teori ukuran partikel kritis, x50, merupakan ekspresi untuk bilangan Stoke scale-up, maka pada industrial cyclone berukuran jauh lebih besar dengan konsentrasi suspensi kurang dari 5 g/m3, bilangan Euler dan Stoke adalah konstan. Sehingga grade efficiency menjadi:

• (5.22)_

Tabel Geometri reverse flow cyclone

(huruf-huruf diatas mengacu pada Gambar 5.4)

2

50

2

50

1

xx

xx

EfficiencyGrade

A B C E J K N

4,0 2,0 2,0 0,25 0,625 0,5 0,5

HE (High Efficiency Stairmand Cyclone)Stk50 = 1,4 x 10-4

Eu = 320

HR (High Flowrate Stairmand Cyclone)Stk50 = 6 x 10-3

Eu = 46

Dimension relative to diameter D

Cyclone Type A B C E J L K N

Stairmand, HE.

Stairmand HR.

4,0

4,0

2,5

2,5

1,5

1,5

0,375

0,375

0,5

0,875

0,2

0,375

0,5

0,75

0,5

0,75

Contoh Soal Gas Cyclone 1Tentukan diameter dan jumlah gas cyclone yg diperlukan untuk menangani 2 m3/s udara (viskositas = 18,25x10-6 Pa, densitas = 1,2 kg/m3) yg bercampur dg solid (densitas =1000 kg/m3) pada penurunan tekanan yg sesuai dan dg ukuran partikel kritis (cut size) 4 m. Gunakan Stairmand HE (high efficiency) cyclone dimana Eu = 320 dan Stk50 = 1,4x10-4.

Penurunan tekanan optimum = 100 m gas= 100 f g (Pa)

= 100 . 1,2 . 9,81 (Pa)= 1177 Pa

• Diket: Udara: q = 2 m3/s, = 18,25x10-6 Pa, f = 1,2 kg/m3

Solid: , p = 1000 kg/m3 , x50 yg diijinkan = 4 m = 4 x 10-6 m

P = 1177 Pa• Dit: D dan n Cyclone??

• SolusiPersamaan (5.1)

Persamaan (5.2),

Dengan cyclone ini, dari persamaan (5.21)

smv

v

vPE

f

u

/ 476,222,1

1177320

2

2

2

mDD

Dqv

014,1

24476,2

4

2

2

mmx

xDvx

Stk p

34,4 1034,4014,11025,1818

476,21000104,1

18

650

6

2504

250

50

• Diameter partikel kritis ini lebih besar dari yang diijinkan yaitu 4m sehingga gas harus dialirkan kedalam lebih dari 1 buah cyclone yang berukuran lebih kecil dan diatur secara paralel.

• Asumsikan n buah cyclone secara paralel diperlukan dan total aliran gas dibagi dalam jumlah cyclone sehingga laju alirnya menjadi q = q/n. Dari persamaan (5.1) dan (5.2), diameter cyclone baru akan diperoleh sebagai berikut:

mn

D

Dn

Dnq

Dn

q

Dqv

014,1

24476,2

444

5,0

2

222

Substitusi kembali ke persamaan (5.21) diperoleh

Oleh karena itu jml cyclone dibulatkan mjd 2 buah. Sekarang dg 2 buah cyclone kita hitung ulang diameter cyclone D = 1,014/n0,5 dan diameter partikel kritis aktual dg menggunakan pers (5.21)

D = 1,014/n0,5 = 1,014/20,5 = 0,717 m

386,1

014,11025,1818

476,21000)104(104,1

18

5,06

264

250

50

nn

xDvx

Stk p

Oleh karena itu 2 buah cyclone Stairmand HE berdiamter 0,717 m secara paralel digunakan akan menghasilkan cut size (ukuran partikel kritis) 3,65 m pada penurunan tekanan sebesar 1170 Pa.

mmx

xDvx

Stk p

65,3 1065,3717,01025,1818

476,21000104,1

18

650

6

2504

250

50

Contoh Soal Gas Cyclone 2

Tes pada reverse flow cyclone memberikan hasil seperti pada tabel berikut

• Dari analisa ini, tentukan total efisiensi cyclone• Buat kurva grade efisiensi dan tunjukkan bahwa cut size (ukuran partikel

kritis) x50 = 10 m.

• Konstanta-konstanta tak berdimensi cyclone adalah Eu = 384 dan Stk50 = 1 x 10-3. Tentukan diameter dan jumlah cyclone yang dioperasikan secara paralel untuk memperoleh ukuran partikel kritis tersebut jika gas mengalir dg laju 10 m3/s, densitas 1,2 kg/m3 dan viskositas 18,4 x 10-6 Pa s membawa partikel debu berdensitas 2500 kg/m3 sedangkan penurunan tekanan yang tersedia 1200 Pa.

• Berapa ukuran partikel kritis dari desain ini?

Size range (m) 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30

Feed size analysis, M (g) 10 15 25 30 15 5

Coarse product analysis, Mc (g) 0,1 3,53 18 27,3 14,63 5,0

• Solusi Soal 2

Masa feed, MM = 10+15+25+30+15+5 = 100 g

Masa produk kasar, Mc

Mc = 0,1+3,53+18+27,3+14,63+5 = 68,56 g

Sehingga dari persamaan (5.5), total efisiensinya adalahET = Mc/M = 68,56/100 = 0,6856

Atau ET = 68,56 %

Dari persamaan (5.7), grade efisiensiny

dxdF

dxdF

Edx

dFM

dxdFM

xGc

T

cc

• Dalam hal ini, G(x) dapat diperoleh dari tabel yaitu, G(x) = Mc/M

• Dan kurva grade efisiensinya dapat dilihat pada dibawah

Size range (m) 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30

G(x) = Mc/M 0,01 0,235 0,721 0,909 0,975 1,00

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25 30

Particle size x (um)

G(x

)

Dengan memasukkan data G(x) = 0,5 pada Gambar 5.5, diperoleh dengan tepat x50 = 10m.

Untuk memahami lebih lanjut, kita dapat menghitung distribusi ukuran dari feed, dF/dx, dan produk kasar, dFc/dx sbb:

Dengan demikian, kita dapat membuktikan harga-harga G(x) yang dihitung. Misalnya, dalam range 10-15

Size range (m) 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30

dFc/dx 0,00146 0,0515 0,263 0,398 0,2134 0,0729

dF/dx 0,1 0,15 0,25 0,30 0,15 0,05

721,025,0263,06856,0

dx

dFdx

dF

Edx

dFM

dxdFM

xGc

T

cc

• Dengan menggunakan persamaan (5.1),

• Jika n buah cyclone secara paralel digunakan maka laju alir gas setiap cyclone menjadi q = q/n dan dari persamaan (5.2),

smE

Pv

vPE

fu

f

u

/ 282,22,1384

1200222

2

5,0

22

362,2282,2

1044

)/(44

nnvnqD

Dnq

Dqv

Substitusi D dan x50 kedalam persamaan (5.21)

Dibulatkan menjadi 2 buah cyclone dan dihitung ulang diperolehD = 2,362/n0,5 = 2,362/20,5 = 1,67 m

• Ukuran partikel kritis aktual dengan 2 buah cyclone berdiameter 1,67 m adalah

88,1/362,2104,1818282,225001010101

18

5,06

263

250

50

nn

Dvx

Stk p

mmx

xDvx

Stk p

85,9 1085,967,1104,1818

282,22500101

18

650

6

2503

250

50

Latihan Soal Gas Cyclones 1

• Peralatan separasi gas-partikel diuji dan memberikan hasil seperti tertera pada tabel berikut

• Hitung total efisiensi peralatan• Buat kurva grade efisiensi untuk peralatan ini dan tentukan

ukuran partikel kritis yang sesuai.• (Jawab, a) 61,7 % b) 19,4 m )

Size range (m) 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50

Range mean (m) 5 15 25 35 45

Feed mass (g) 45 69 120 45 21

Coarse product mass (g) 1,35 19,32 99 44,33 21

Latihan Soal Gas Cyclones 2

• Peralatan separasi gas-partikel diuji dan memberikan hasil seperti tertera pada tabel berikut

• Jika total masa feed 200 kg dan masa total produk kasar yang terkumpul 166,5 kg. tentukan total efisiensi peralatan

• Tentukan distribusi ukuran partikel halus• Buat kurva grade efisiensi untuk peralatan dan tentukan ukuran partikel

kritis yang sesuai• Jika dengan peralatan yang sama ini diumpankan bahan dengan distribusi

ukuran seperti dalam tabel dibawah, bagaimana dengan distribusi ukuran produk kasar yang dihasilkan?

Size range (m) 6,6-9,4 9,4-13,3 13,3-18,7 18,7-27 27-37 37-53

Distribusi feed size (m) 0,05 0,2 0,35 0,25 0,1 0,05

Distribusi coarse product (g) 0,016 0,139 0,366 0,3 0,12 0,06