ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA GRATE COOLER INDUSTRI SEMEN

Transkripsi

1 ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA GRATE COOLER INDUSTRI SEMEN Khairil Anwar* * Abtract Thi reearch aimed to ind out heat traner rate between cooling air upply and clinker in grate cooler o cement indutry. The method ued ield urvey with two data. Primary data by direct meaure in reearch object and other rom control room. Then or the econdary data, we got rom manual book o company. Grate cooler wa divided into 3 ection, and the analyi perormed or each ection baed on the principle o heat traner through a porou medium to obtain the heat traner coeicient, and the rate o heat traner. Heat traner o clinker to the cooling air wa analyzed by convection and radiation. The reult how that the highet convection heat traner occur in ection, while the highet radiation heat traner occur in ection 1. Total heat traner in the grate cooler i kw. Thi reult will be maller than the thermodynamic analyi, with calculation dierence o %. Keyword: Heat traner, grate cooler, clinker, porou medium 1. Pendahuluan Proe pendinginan klinker di dalam grate cooler merupakan alah atu proe yang cukup penting mendapat perhatian dalam produki emen. Hal ini diebabkan karena proe pendinginan klinker etelah melewati pemanaan di dalam rotary kiln, merupakan alah atu aktor dalam upaya menghailkan klinker dengan kualita yang diharapkan (Silika ratio:,44, Alumina ratio:1,54,lime aturation: 96.). Untuk itu uplai udara pendingin ini haru dieuaikan dengan jumlah klinker yang dimaukkan ke dalam Grate cooler. Tekanan udara pendingin yang tinggi mengakibatkan diperlukannya mempertahankan material low eed dan apabila hal ini tidak diperhatikan perpindahan pana rata-rata dapat lebih tinggi dari keluaran yang ebenarnya dan juga dapat relati lebih rendah. Hal ini diebabkan karena kondii perubahan panjang pendingin yang dilalui oleh klinker. Grate cooler dengan kemampuan pendinginan terhadap klinker yang lebih baik ecara kualita dan kuantita tidak lepa dengan ejumlah maalah terutama yang berhubungan dengan perpindahan pana dalam pemakaiannya. Oleh karena itu perlu dilakukan analii eberapa bear perpindahan pana yang terjadi di dalam grate cooler, ebagai upaya untuk meningkatkan eektiita dan eiieni pemakaiannya.. Tinjauan Putaka.1 Gambaran umum grate cooler Pada indutry emen, klinker yang udah diproe dari awal ampai dipanakan pada rotary kiln dengan temperatur ±1800 C elanjutnya akan diturunkan dari uhu ±1450 C ampai klinker beruhu ± C untuk elanjutnya akan dipecahkan oleh grinder. Untuk keperluan pendinginan terebut digunakan alat yang diebut grate cooler. Pada grate cooler proe pendinginan klinker dilakukan dengan mengalirkan udara dari ejumlah an, yang elanjutnya dihembukan melalui celah celah landaan (grate) yang bergerak mengantarkan klinker menuju ke grinder untuk proe elanjutnya. Setelah melewati landaan material, udara pendingin akan mauk kedalam kiln atau ruang bakar yang mana akan digunakan ebagai udara ekunder untuk pemanaan awal pada proe pembakaran. Selain itu juga akan dialirkan ke calciner, coal mill dan dryer. Sebagian lagi dari udara hail pendinginan akan dikeluarkan ke atmoer. * Sta Pengajar Juruan Teknik Mein Fakulta Teknik Univerita Tadulako, Palu

2 Gambar 1. Skema proe produki emen Gambar. Skema umum Grate cooler Kebutuhan udara yang diperlukan untuk pendinginan pada etiap kompartemen grate cooler akan berbeda ehingga jumlah an erta bear daya an yang dibutuhkan juga berbeda.untuk kompartemen pertama di mana klinker baru keluar dari rotary kiln akan membutuhkan pendinginan yang lebih bear dibandingkan dengan kompartemen lain eudahnya, oleh karena itu dibutuhkan uplai udara yang lebih bear ehingga jumlah an yang digunakan lebih banyak. Klinker yang didinginkan haru mendapatkan pendinginan ecara merata pada etiap ection agar temperatur akhir yang diinginkan untuk etiap bongkahan klinker dapat tercapai ehingga tidak meruak alat pada hammer cruher. Untuk mengoperaikan grate cooler ecara optimal maka eluruh variabel yang mempengaruhi proe pendinginan klinker haru dapat diukur dan diatur etiap aat agar terkendali. Sitem pengendalian dari grate cooler dilakukan pada taiun pengendali yang ecara otomati dapat mengukur atau mengetahui kondii yang terjadi 68

3 Analii Perpindahan Pana Grate Cooler Indutri Semen pada grate cooler. Pada taiun pengendali ini kebutuhaan udara dan jumlah klinker yang dimaukkan diatur agar pendinginan yang dilakukan dapat lebih eekti. φ = A p Δ AΔ.(1). Proe perpindahan pana Perpindahan pana (heat traner) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan uhu di antara benda atau material. Ilmu perpindahan pana tidak hanya mencoba menjelakan bagaimana energi kalor itu berpindah dari atu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondii kondii tertentu. Kenyataan bahwa diini yang menjadi aaran analii ialah maalah laju perpindahan, inilah yang membedakan ilmu perpindahan pana dari ilmu termodinamika. Dengan melihat keadaan yang terjadi pada proe pendinginan klinker, dimana udara dilewatkan melewati media yang berbentuk butiranbutiran, maka keadaan ini ama halnya dengan perpindahan pana ecara konveki yang melalui porou medium. Cara yang paling mudah untuk memperoleh komponen utama dari peramaan energi untuk porou medium adalah dengan memperhitungkan model aliran luida dan pana atu dimeni. Ruang koong yang berbeda dalam elemen volume (A.Δ) adalah A p. Δ; elemen volume dideiniikan edemikian rupa ehingga raio (Ap. Δ) / (A. Δ) euai dengan raio porouita porou medium dimana volume daarnya udah terendiri. Sehingga dalam item porouita dideiniikan ebagai raio: Untuk memperoleh peramaan energi porou medium yang dianggap ebagai medium homogen, kita mulai dengan peramaan energi untuk bagian luida dan bagian padat dan merataratakan peramaan ini dengan volume daar untuk bagian yang padat, diperoleh: T T ρ c = k + q t..() dimana (ρ,c,k) adalah iat iat matrik padat dan q, adalah tingkatan pembangkit pana internal per unit volume material yang padat. Dengan aumi bahwa tempertur T tidak bervariai dalam volume yang olid, integral peramaan () terhadap ruang yang ditempati oleh zat padat itu menghailkan: T T ( A A p ) ρ C = Δ( A A p ) k + Δ( A Ap) q Δ t..(3) Sedangkan peramaan konveri energi pada etiap titik dalam ruang yang ditempati oleh luida adalah: T Cp + u t ρ p T T = k + μφ..(4) dimana (ρ,cp,k) adalah iat iat luida. ΔX A-A p (Solid) A p (Pore Filled With Fluid ) Flow Direction \ Gambar 3. Elemen atu dimeni untuk porou medium homogen MEKTEK TAHUN XIII NO., MEI

4 Pada peramaan () dan (4) juga diaumikan bahwa (C,k) dan (Cp,k) merupakan kontanta yang udah diketahui ebelumnya dengan temperatur (T) adalah tempertur kedua bagian, padat dan luida, artinya truktur luida dan diaumikan berada dalam keetimbangan termal lokal. Dengan mengintegralkan peramaan (4) terhadap volume pori ApΔ,menghailkan: ΔΔ Cp p T + ΔA t T T Cp = Δ + Δ Φ u Apk μ dap Ap...(5) ρ Pada term kedua dari ii kanan peramaan terebut digunakan deenii kecepatan rata rata (per.). Term terakhir pada ii kanan peramaan menyatakan pemanaan internal yang berhubungan dengan pembentukan entropi atau berkurangnya kekentalan. Term. pengurangan dalam per.(4) ama dengan kekuatan mekani yang dibutuhkan untuk mendorong luida kental melalui pori. Konduktivita termal porou medium k, muncul ebagai kombinai konduktivita dari kedua unur: k = φ k + ( 1 φ ) k (6) Peramaan ini adalah hail dari model atu dimeni yang merupakan model konduki parallel. Sedangkan daya diui porou medium homogen α dideiniikan ebagai raio: k α = ρ Cp...(7) Dengan k adalah iat agregat porou medium dengan luida jenuh, edangkan ρ Cp adalah iat luida aja..3 Lapian bata paka Maalah pokok dalam konveki pana melalui porou medium terdiri dari prediki kecepatan perpindahan pana antara permukaan padat yang di panakan dierenial dan porou medium dengan luida jenuh. Oleh karena itu, awal dari tudi konveki melalui porou medium adalah dengan beroku pada permaalahan perpindahan pana yang paling ederhana, yaitu interaki antara dinding yang padat dan aliran paralel yang mereap melalui material porou yang dibatai oleh dinding. Peramaan energi mengungkapkan keeimbangan antara aliran entalpi pada arah dan diui termal pada arah y. U Δ T T ~ α Δ δ T.(8) dimana udah diaumikan bahwa region lapian bata thermal agak rendah T. Implikai perpindahan pana yang relevan dari peramaan (8) adalah: δt Pe Nu = 1/ h k..(9) 1/ ~ ~ Pe δ T...(10) dengan bilangan peclet lokal yang dideiniikan ebagai: U Pe = α...(11) Ketebalan lapian thermal T akan bertambah eiring dengan 1/ dari titik dimana pemanaan dinding dimulai dan koeiien perpindahan pana lokal (atau luk pana lokal) menurun eiring dengan -1/ karena hail peramaan (9) dan (10) didaarkan pada aumi lapian bata thermal yang rendah, maka hanya berlaku apabila Pe 1/ > O (1) artinya menurun agak jauh dari = 0. Penyeleaian peramaan maalah perpindahan pana dan kondii bata dikembangkan dengan memperkenalkan variable peramaan yang dinyatakan oleh hukum kala (per. 9): y 1/ η = Pe proil temperatur peramaan adalah: (1) T T0 = θ ( η) T T0...(13) Dengan notai ini, peramaan energi dari kondii batanya menjadi: 70

5 Analii Perpindahan Pana Grate Cooler Indutri Semen 1 ' '' θ + ηθ = 0..(14) Dengan demikian total perpindahan pana yang terjadi: θ ( 0) = 0, θ ( ) = 1...(15) Q = Q + Q tot c r (3) Dengan memecahkan peramaan (14) dan (15) dengan pemiahan variable diperoleh: maka, η θ = er dθ dη η= 0 = π (16) 1/ = (17) Cheng menemukan hail yang ama dengan pengintegralan peramaan (14) dan (15) ecara numerik. Berdaarkan penyeleaian ini bilangan nuelt lokalnya adalah: 3. Metode Penelitian 3.1 Pengambilan data Pengambilan data dilakukan untuk memperoleh gambaran kenyataan yang terjadi di lokai penelitian, dalam hal ini pabrik Semen Boowa Maro. Dilakukan melalui wawancara, pengamatan dan pengukuran langung, data operaional dari unit control room, erta data penunjang lainnya dari manual book dan literatur lain yang relevan. Data yang diperlukan meliputi: kapaita harian, dimeni grate cooler, data temperatur klinker dan udara, data debit udara pendingin dari 14 an, data tekanan udara di dalam grate cooler dan data material dinding grate cooler. '' q dθ 1/ Nu = = Pe = T0 T k dη η= 0 1/ 0.564Pe.(18) yang euai dengan aktor orde 0(1) dengan hukum kala (per.9) dengan merata-ratakan koeiien perpindahan pana pada panjang dinding pana L, diperoleh: L Nu = K 1/ 0 L = h0 L 1. 13PeL.. (19) Selanjutnya untuk menghitung koeiien perpindahan pana porou medium: Nu k h =.(0) Sehingga laju perpindahan pana konveki dapat dihitung dengan: Qc = h A( Tk Tb)..(1) Diamping itu, terdapat pula kalor radiai yang dilepakan oleh klinker ke udara, dapat dihitung dengan peramaan: 3. Metode analii Grate cooler dibagi menjadi tiga ection, dengan jumlah an untuk ection 1, dan 3 maing maing adalah 6, 5 dan 3 an. Dimeni grate cooler, temperatur udara dan klinker eperti terlihat pada gambar 4. Dengan demikian analii dilakukan untuk tiap ection euai dengan dimeni dan temperatur eperti terlihat di ata. Analii perhitungan berdaarkan prinip perpindahan pana melalui medium berpori (porou medium) untuk memperoleh raio item porouita klinker, (ϕ ), konduktivita thermal porou medium, (k), daya diui thermal porou medium homogen (α), koeiien perpindahan pana (h), dan laju perpindahan pana konveki erta radiai (Q). 4. Pembahaan Pada Grate cooler, udara pendingin yang dihembukan oleh an mauk melalui lubanglubang plat dan melewati celah-celah bongkahan klinker dan mendinginkannya. Sehingga perpindahan pana yang terjadi antara udara pendingin dengan klinker tidak bia diaumi ebagai benda padat ecara keeluruhan tetapi merupakan porou medium. 4 c 4 Q = σ A ε ( T T r )..() MEKTEK TAHUN XIII NO., MEI

6 1000 C 855 C 69 C 3,4 m 0,76 m 119 C 984 C 386 C 3 C 3 C 3 C 8,96 m 9,90 m 11,80 m SECTION 1 SECTION SECTION 3 Gambar 4. Grate cooler perection Gambar 5. Koeiien perpindahan pana porou medium per ection Untuk menghitung bearnya perpindahan pana maka perhitungan dibagi menjadi 3 bagian yaitu ection 1, ection, dan ection 3. Perhitungan jumlah klinker total tiap ection berdaarkan diameter klinker dan dimeni dari grate cooler, untuk kemudian digunakan mencari raio porouita atau perbandingan antara volume ruang koong di dalam tumpukan klinker (celah celah yang dilewati udara) dengan volume jika klinker itu padat. Sehingga dapat diperoleh konduktivita termal dan koeiien perpindahan porou medium. Dari hail perhitungan terlihat bahwa koeiien perpindahan pana porou medium lebih bear di ection 3, etelah itu ection, kemudian ection 1 (lihat gambar 5). Hal ini diebabkan karena pengaruh ukuran diameter klinker membear dan temperatur udara yang emakin kecil (pada ection 3) ehingga menyebabkan konduktivita dan daya diui termal porou medium akan emakin kecil. Perpindahan pana dari klinker ke udara pendingin dianalii terjadi ecara konveki dan radiai. Dari hail perhitungan didapatkan bahwa perpindahan pana konveki terbear terdapat di ection yaitu 3680,97 kw kemudian ection 1 yaitu 108,38 kw dan ection 3 ebear 1137,39 kw. Hal ini diebabkan karena jumlah debit udara yang diberikan pada ection lebih bear bila dibandingkan dengan ection 1 dan ection 3. 7

7 Analii Perpindahan Pana Grate Cooler Indutri Semen Gambar 6. Perpindahan pana di dalam grate cooler per ection Sedangkan perpindahan pana ecara radiai, terbear pada ection 1 ebear 3870,1 kw, kemudian ection ebear 1365,73 kw, dan ection 3 ebear 1149,36 kw. Kalor radiai klinker ke udara euai data terlihat menurun euai dengan penurunan temperatur klinker pada tiap bagian. Kalor perpindahan pana total dari klinker ke udara pendingin diperoleh ebear : 95185,936 kw. Perhitungan ecara termodinamika melalui keetimbangan energi akan diperoleh kalor yang dilepakan klinker ke udara edikit lebih bear dengan perentae perbedaan perhitungan ebear ± %. Hal ini diebabkan karena perhitungan ecara termodinamika, item ditinjau pada keadaan awal dan akhirnya aja, tanpa melihat laju perpindahan yang terjadi (proenya). 5. Keimpulan dan Saran 5.1 Keimpulan Dari perhitungan Perpindahan Pana diperoleh perpindahan pana ecara konveki terbear terjadi pada pada ection ekitar 4,3 % dari total perpindahan pana konveki, kemudian ection 1 (1,7 %) dan ection 3 (1,5 %). Perpindahan pana ecara radiai terbear pada pada ection 1 ekitar 4,5 % dari total perpindahan pana radiai yang terjadi, kemudian ection (13,6 %) dan ection 1 (1, %). 5. Saran Untuk menghindari coating dan deormai pada grate plate karena aktor kelebihan temperatur, diupayakan agar konumi udara pada ection 1 dimakimalkan. Analii lanjutan yang bia dilakukan adalah mencari uplai udara pendinginan untuk kapaita yang lebih kecil. 6. Datar Putaka Alop, P.A Cement Plant Operation Handbook For Dry Proce Plant. Surrey, UK: Tradehip Publication. Anonim Manual Hand Book Fuller Clinker Cooler. PT. Semen Boowa Maro. Anonim. Cement Hand Book F.L. Smidth. Anwar, khairil. Analii Ketimbangan Energi Sitem Pendinginan Klinker Pada Indutri emen. Jurnal Ilmiah Matematika Dan Terapan ISSN Vol. 7 No. 1 Mei 010, hal.53-6 Autin, George T; Indutri Proe Kimia. Terjemahan. Jakarta: Erlangga. Bejan, Adrian Convection Heat Traner. New York: Mc. Graw Hill Book Company. Divii Riet dan Pengembangan Intitut Semen dan Beton Indoneia. 00. Rancangan Standar Naional Indoneia Untuk Evaluai Neraca Pana Pada Kiln Semen. Ciangana. Holman J.P Perpindahan Kalor. Terjemahan oleh E. Jaji Jakarta: Erlangga. Oziik, M. Necati Heat Traner, A Baic Aproach. New York: Mc. Graw Hill Book Company. MEKTEK TAHUN XIII NO., MEI

8 Peray. K.E The Rotary Cement Kiln. Second Edition. New York : Chemical Publihing Co., Inc 8-1DF4-4F8D-A5CA- 0FC35A4BDBD5.htm, diake pada tanggal 7 Mei